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Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 20081 CODALEMA Lexpérience CODALEMA à Nançay Didier Charrier et Lilian Martin Subatech, CNRS/Université.

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1 Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars CODALEMA Lexpérience CODALEMA à Nançay Didier Charrier et Lilian Martin Subatech, CNRS/Université de Nantes/ École des Mines de Nantes

2 Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars Les groupes de recherche SUBATECH Nantes (IN2P3, 2002) LESIA - Observatoire de Paris-Meudon - Station de Radioastronomie de Nançay (INSU,2002) Laboratoire de lAccélérateur Linéaire Orsay (IN2P3, 2004) École Supérieure dÉlectronique de lOuest Angers (2004) Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie Grenoble (IN2P3, 2005) Laboratoire dAstrophysique de lObservatoire de Besançon (INSU, 2006) Laboratoire de Physique et Chimie de lEnvironnement Orléans (INSU, 2006)

3 Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars Champs dinvestigation de CODALEMA Problématique principale : létude des rayons cosmiques dultra haute énergie. –Flux, Énergie, limite en énergie ? –Nature : proton, noyau ? –Distribution dans le ciel : isotropie, sources ? –Origines, Mécanismes de production et de propagation. Galactique Solaire Confuse ou inconnue Détection directe

4 Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars Développement dune gerbe Maximo Ave, Dinoj Surendran, Tokonatsu Yamamoto, Randy Landsberg, and Mark SubbaRaoDinoj SurendranMark SubbaRao created the following visualizations of showers created using Sergio Sciutto's AIRES package.AIRES Proton de 1 TeV (10 12 eV) au dessus de Chicago 5 x 5 x 20 km 3

5 Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars Développement de la gerbe Quelques ordres de grandeur à eV –Énergie : eV équivalent à 10 Joules soit 2g à 350km/h. – Flux : 1 événement par 50 km² et par an. Surface de détection de 1000 km² –Densité : entre 10 et 100 milliards de particules au sol. –Taille : empreinte de 20 km² (1 part/m² à 1.5 km de laxe de la gerbe)

6 Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars Techniques de détection Une cascade de créations, désintégrations et annihilations de particules a lieu produisant un nombre très important de particules secondaires : détection et comptage des particules au sol. Excès de charges négatives en mouvement et effets géoma- gnétiques sur les paires produites : induction dun champ électrique.

7 Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars Objectifs de CODALEMA Développer et mettre au point une technique alternative aux mesures « particules » –Caractériser et quantifier lémission radio associée à la gerbe : amplitude, extension, polarisation… –Corréler ces mesures aux informations extraites des détecteurs particules et donc à la gerbe et son rayon cosmique primaire –Concevoir et implanter un démonstrateur dun réseau couvrant de lordre dun km² : antenne, station autonome, centre de traitement des données… Mesures impulsionnelles dans dautres domaines

8 Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars Le réseau déployé à Nançay (Janv. 2008)

9 Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars Les instruments installés Station scintillateur Dipôle actif

10 Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars Les instruments installés Dipôle actif Instruments complètement câblés jusquau conteneur dacquisition

11 Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars Les instruments installés Dans le conteneur PC dacquisition Cartes de digitalisation (lecture par GPIB) Modules de déclenchement

12 Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars Les prises de données Détecteurs « particules » : –17 stations de scintillateur plastique (~1m²) –5 stations centrales dans le système de trigger Reconstruction des information sur la gerbe –Direction darrivée par triangulation –Énergie par les amplitudes mesurées Antennes : –24 dipôles actifs large bande –Échantillonnage à 1 GS/s sur 12 bits et 2.5 s –Utilisation en esclave (pour linstant) Déclenchement : –Multiplicité minimum 5 –Taux de trigger : 8 evts/heure Acquisition sous LabView

13 Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars La démarche expérimentale Simulation théorique: Informations contenues dans la forme du signal Amplitude (>1 V/m) => énergie Durée (~100 ns) => paramètre dimpact (b) Forme donde => nature des particules Mesures expérimentales: Evts rares (trigger~10 -3 Hz) Analyse temporelle du signal => Reconstitution de la trajectoire par triangulation entre plusieurs antennes Analyse de lamplitude =>Extraction de lénergie du primaire b Ant. Trajectoire gerbe

14 Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars Pleine bande Nançay MHz Forme attendue du spectre dune gerbe Bande filtrée Datation: t Bruit : Seuil : n. Tagging en temps et amplitude Technique de détection des transitoires

15 Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars Analyse dévénement : signaux en temps E~10 18 eV MHz Nord Sud Ouest Est

16 Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars Analyse dévénements : spectres en fréquence Nord Sud Ouest Est

17 Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars Analyse dévénements : profil latéral

18 Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars La reconstruction de la direction darrivée des gerbes atmosphériques est confirmée par la détection radio sin( ).Gaussian = 4° = 4° Antennas direction – Particles direction Corrélation des directions darrivée

19 Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars Asymétrie des directions darrivée Reconstruction « particules » Reconstruction « antennes » Il manque des événements au Sud

20 Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars Perspectives Encore beaucoup de zones à défricher : –Corrélation Énergie et champ électrique –Comprendre lasymétrie Nord-Sud dans les taux de comptage –Mesurer et caractériser les autres polarisations (Re)-Installer un trigger radio en parallèle –Caractériser lenvironnement radio –Déterminer finement des coupures en fréquence pour le trigger –Préparer le déploiement dantennes autonomes

21 Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars Transparents supplémentaires

22 Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars Origine & nature des cosmiques Bottom - Up Accélération par un phénomène astrophysique (ex : mécanisme de Fermi) Composition: p, Fe,… Diagramme dHillas Désintégration ou annihilation dune particule X (défauts topologiques, Particule, relique du Big Bang …) Top - Down distribution dans le ciel (ciel isotrope? sources ?)

23 Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars Champ loin de laxe de la gerbe (~km): Coulombien + courant dipôle - impulsions lentes (> 100 ns) Champ proche de laxe de la gerbe (~100 m): Cerenkov + synchrotron + variation de charge - impulsions rapides (~10 ns) - Identifiés en 1970 Excès de charge ~ 10% e - /e Effet géomagnétique F=qVxB moment dipolaire - + Courant transverse dalimentation du dipôle Emission Synchrotron Ve > c Emission Cerenkov Le champ électrique des gerbes

24 Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars Potentialité de lapproche « formes dondes » Lanalyse simultanée de toutes les informations Analyse de la forme donde: Amplitude, Spectre en fréquence, forme du transitoire –Numériseurs jusquà 2 GS/s facilement disponibles. (actuellement jusquà 8 GS/s & 128 MPoints) –Analyse par TF Signature du transitoire signal: composantes larges bandes Méthode on/off instantanée Fit du spectre de fréquence => par ITF=> forme donde –Autres Méthodes Filtre LPC Ondelettes => Mécanismes démission => physique de la source

25 Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars Impulsion => Signal à durée finie x(t)=t.exp(-t/tau) => spectre large bande Filtre 0.5-5MHz Forme du transitoire beaucoup de puissance => énergie Filtre 35-65MHz front de montée peu de puissance => information temporelle x10 Mais le signal réel est dans du bruit: capteur, RFI, signal galactique, etc… Recherche des impulsions

26 Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars Wavelet analysis for time tagging Signal (noise+ pulse) Remaining signal signal Better than FFT shape analysis shape analysis time resolution ~ns time resolution ~ns Extraction via Linear Predictive Coeficients (Adaptative optimal filtering) Waveform Recovery at large Band

27 Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars Triangulation performances (1) DAM sun survey 15/01/05 & 02/06/06 Standard deviation of received power versus time Solar flair Normal day Night solar flare in active region AR10720 on 2005 Jan. 15

28 Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars Triangulation performances (2) ITrigger IG11 ID98 ID32IA1 Principle of the triangulation Reconstructed directions versus sun ephemerids Direction accuracy = 0.74 ° Distribution of the Residues

29 Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars Sources en radio : un environnement chargé des sources statiques diffuses où ponctuelles des sources clairement en mouvement des sources plus difficile à caractériser Front donde plan reconstruit à partir des signaux antennes Trigger radio

30 Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars Sources radio : un environnement varié Des taux de trigger et des durées démission variés dans le temps

31 Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars Sources radio : un environnement à préciser Une triangulation possible (onde sphérique) Des formes donde atypiques et variées

32 Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars Des spectres variables Ondes courtes en AM Évolution du spectre en fréquence à basse fréquence en fonction du temps Minuit Midi

33 Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars Émission radio induite Une cascade de création, désintégration et annihilation de particules a lieu et produit un nombre très important de particules secondaires dont certains atteignent le sol. Création de lumière Tcherenkov le long de la trajectoire de la gerbe. Phénomène de fluorescence avec lazote de latmosphère.

34 Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars Objectifs de CODALEMA Investiguer les possibilités de mesures impulsionnelles dans dautres domaines –Astroparticules, astronomie (neutrinos, pulsar,…) –Physique de latmosphère (orage, elfe, sprite, blue jet, X ray flash,…) –Détection des signaux anthropiques (avion,…)


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