Sonde multi-messager de l'origine des rayons cosmiques à partir des données d'astroparticules du TeV à l'EeV

par Sullivan Marafico

Projet de thèse en Astroparticules et cosmologie

Sous la direction de Olivier Deligny.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulat , en partenariat avec Laboratoire de Physique des deux Infinis Irène Joliot-Curie (laboratoire) et de Faculté des sciences d'Orsay (référent) depuis le 30-09-2019 .


  • Résumé

    La collaboration Pierre Auger a récemment annoncé la découverte d'une anisotropie dans les directions d'arrivée des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie (UHECR) sur de grandes échelles angulaires avec un niveau de confiance supérieur à 5 sigma, pour des énergies supérieures à 8 x 10^18 eV. La distribution des UHECR sur la sphère céleste à ces énergies est compatible avec une composante dipolaire de 7% d'amplitude pointant à 120° du centre galactique, tout en restant cohérente avec la distribution à grande échelle des galaxies et les déflexions attendues dans les champs magnétiques galactiques. Ceci fournit, pour la première fois, une preuve observationnelle d'une origine extragalactique des UHECR, questionnement fondamental de la physique des astroparticules. Aux énergies plus élevées, on s'attend à des déflexions plus faibles par les champs magnétiques et à un horizon réduit pour les sources d'UHECR, permettant éventuellement l'identification de sources comme des excès étendus de rayons cosmiques sur un fond plus diffus. En effet, au-delà de 40 x 10^18 eV, une indication d'anisotropie à une échelle intermédiaire (~ 10°) a également été découverte grâce à une comparaison avec des cartes célestes de flux des sources de rayons gamma extragalactiques. est proportionnel à leur émission électromagnétique. Ces découvertes constituent un nouvel angle pour aborder la question des sources des UHECR et de leurs équivalents multi-messagers. La thèse suivra le plan suivant: A) Un ajustement combiné des données d'anisotropies, spectrales et de composition. B) Modélisation des populations de sources non thermiques, à partir de catalogues de sources extragalactiques radio, infrarouges et gamma. En particulier, la différence entre une distribution homogène et isotrope des sources de rayons cosmiques (jusqu'à 1 Gpc) et la distribution observée d'accélérateurs extragalactiques connus serait étudiée. C) Simulation d'expériences futures et proposition d'observation. La quantification du signal gamma attendu de la population de sources de rayons cosmiques (B) pourrait donner lieu à une proposition d'observation soumise à l'observatoire CTA au cours de sa phase scientifique initiale, prévue à la fin du projet doctoral. Si les modèles contraignaient la composition des données des rayons cosmiques aux énergies les plus élevées, une étude des performances d'AugerPrime (nouvelle phase d'Auger en cours de déploiement à partir de 2018) et des futurs observatoires des rayons cosmiques pourrait également être conçue.

  • Titre traduit

    Multi-messenger probe of cosmic ray origins from source models to TeV and EeV Astroparticle Data


  • Résumé

    The Pierre Auger Collaboration has recently announced the discovery of a departure from isotropy in the arrival directions of ultra-high-energy cosmic rays (UHECRs) on large angular scales with 5 sigma confidence above 8 x 10^18 eV. The distribution of UHECRs on the celestial sphere at these energies is consistent with a 7%-amplitude dipolar component pointing 120° away from the Galactic center, while being consistent with the large-scale distribution of galaxies and deflections within the Galactic magnetic fields. This provides, for the first time, observational evidence for an extragalactic origin of UHECRs, a long-standing conundrum of astroparticle physics. At higher energies, smaller deflections by magnetic fields and a reduced horizon for UHECR sources are expected, possibly enabling the identification of sources as extended cosmic-ray excesses on top of a more diffuse background. Indeed, beyond 40 x 10^18 eV, an indication for intermediate-scale (~10°) anisotropy has further been uncovered through a comparison with the flux pattern of extragalactic gamma-ray sources. These findings constitute a fantastic new angle for tackling the question of the sources of UHECRs and of their multi-messenger counterparts. The wealth of astroparticle data, combined with large surveys in the electromagnetic bands, are opening new windows on our understanding of the most extreme accelerators in the Universe. The thesis program will follow the outline below: A) Data analysis, in particular with 1) an improved treatment of energy resolution in anisotropy studies of Auger data on large- (half of the celestial sphere) and intermediate- (few tens of degrees) angular scales; 2) a combined fit of anisotropy, spectral, and composition data. B) Modelling of non-thermal source populations, based on radio, infrared, and gamma-ray catalogs of extragalactic sources. In particular, the difference between an homogeneous and isotropic distribution of cosmic-ray sources (up to 1 Gpc) and the observed distribution of known extragalactic accelerators would be investigated. C) Simulation for future experiments and observation proposal. Quantifying the gamma-ray signal expected from population of UHECR sources (B) fitting the requirements imposed by cosmic-ray data (A-2) could lead to an observation proposal submitted to the CTA Observatory during its early science phase, which is planned at the end of the Ph'D project. Should the models constrain the composition of UHECR data at the highest energies, a study against the performance of AugerPrime (Auger upgrade under deployment as of 2018) and future UHECR observatories could also be designed.