L’expérience CODALEMA à Nançay Didier Charrier et Lilian Martin Subatech, CNRS/Université de Nantes/ École des Mines de Nantes Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

Les groupes de recherche SUBATECH Nantes (IN2P3, 2002) LESIA - Observatoire de Paris-Meudon - Station de Radioastronomie de Nançay (INSU,2002) Laboratoire de l’Accélérateur Linéaire Orsay (IN2P3, 2004) École Supérieure d’Électronique de l’Ouest Angers (2004) Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie Grenoble (IN2P3, 2005) Laboratoire d’Astrophysique de l’Observatoire de Besançon (INSU, 2006) Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement Orléans (INSU, 2006) Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

Champs d’investigation de CODALEMA Problématique principale : l’étude des rayons cosmiques d’ultra haute énergie. Flux, Énergie, limite en énergie ? Nature : proton, noyau ? Distribution dans le ciel : isotropie, sources ? Origines, Mécanismes de production et de propagation. Détection directe Solaire Galactique Confuse ou inconnue Ajouter les limites des techniques de detection. Les flux au sol. L’energie du LHC Definir l eV LHC@CERN Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

Développement d’une gerbe Proton de 1 TeV (1012 eV) au dessus de Chicago Maximo Ave, Dinoj Surendran, Tokonatsu Yamamoto, Randy Landsberg, and Mark SubbaRao created the following visualizations of showers created using Sergio Sciutto's AIRES package. http://astro.uchicago.edu/cosmus/projects/aires/ 5 x 5 x 20 km3 Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

Développement de la gerbe Quelques ordres de grandeur à 1019eV Énergie : 5.1019eV 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 l’axe de la gerbe) Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

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 d’un champ électrique. Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008 Objectifs de CODALEMA Développer et mettre au point une technique alternative aux mesures « particules » Caractériser et quantifier l’émission 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 d’un réseau couvrant de l’ordre d’un km² : antenne, station autonome, centre de traitement des données… Mesures impulsionnelles dans d’autres domaines Ajouter les limites des techniques de detection. Les flux au sol. L’energie du LHC Definir l eV Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

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

Les instruments installés Station scintillateur Dipôle actif Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

Les instruments installés Instruments complètement câblés jusqu’au conteneur d’acquisition Dipôle actif Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

Les instruments installés Dans le conteneur Cartes de digitalisation (lecture par GPIB) PC d’acquisition Modules de déclenchement Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008 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 d’arrivée par triangulation Énergie par les amplitudes mesurées Antennes : 24 dipôles actifs large bande Échantillonnage à 1 GS/s sur 12 bits et 2.5 ms Utilisation en esclave (pour l’instant) Déclenchement : Multiplicité minimum 5 Taux de trigger : 8 evts/heure Acquisition sous LabView Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

La démarche expérimentale Simulation théorique: Informations contenues dans la forme du signal Amplitude (>1V/m) => énergie Durée (~100 ns) => paramètre d’impact (b) Forme d’onde => nature des particules b Trajectoire gerbe Ant. Mesures expérimentales: Evts rares (trigger~10-3 Hz) Analyse temporelle du signal => Reconstitution de la trajectoire par triangulation entre plusieurs antennes Analyse de l’amplitude =>Extraction de l’énergie du primaire Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

Technique de détection des transitoires Nançay 1-120 MHz Forme attendue du spectre d’une gerbe Bande filtrée Pleine bande Datation: t Bruit :  Seuil : n. Tagging en temps et amplitude Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

Analyse d’événement : signaux en temps Nord Est E~1018eV 23-130 MHz Sud Ouest Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

Analyse d’événements : spectres en fréquence Nord Sud Est Ouest Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

Analyse d’événements : profil latéral Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

Corrélation des directions d’arrivée sin().Gaussian  = 4° “Antennas” direction – “Particles” direction La reconstruction de la direction d’arrivée des gerbes atmosphériques est confirmée par la détection radio Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

Asymétrie des directions d’arrivée Reconstruction « antennes » Reconstruction « particules » Il manque des événements au Sud Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008 Perspectives Encore beaucoup de zones à défricher : Corrélation Énergie et champ électrique Comprendre l’asymétrie Nord-Sud dans les taux de comptage Mesurer et caractériser les autres polarisations (Re)-Installer un trigger radio en parallèle Caractériser l’environnement radio Déterminer finement des coupures en fréquence pour le trigger Préparer le déploiement d’antennes autonomes Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

Transparents supplémentaires Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

Origine & nature des cosmiques Diagramme d’Hillas Bottom - Up Accélération par un phénomène astrophysique (ex : mécanisme de Fermi) Composition: p, Fe,… Top - Down Désintégration ou annihilation d’une particule “X” (défauts topologiques, Particule, relique du Big Bang …) distribution dans le ciel (ciel isotrope? sources ?) Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

Le champ électrique des gerbes - Identifiés en 1970 • Excès de charge ~ 10% e- /e+ Champ proche de l’axe de la gerbe (~100 m): Cerenkov + synchrotron + variation de charge - impulsions rapides (~10 ns) - + • Effet géomagnétique F=qVxB moment dipolaire Champ loin de l’axe de la gerbe (~km): Coulombien + courant dipôle - impulsions lentes (> 100 ns) - + Courant transverse d’alimentation du dipôle  Emission Synchrotron • Ve > c  Emission Cerenkov Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

Potentialité de l’approche « formes d’ondes » L’analyse simultanée de toutes les informations Analyse de la forme d’onde: Amplitude, Spectre en fréquence, forme du transitoire Numériseurs jusqu’à 2 GS/s facilement disponibles. (actuellement jusqu’à 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 d’onde Autres Méthodes Filtre LPC Ondelettes => Mécanismes d’émission => physique de la source Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

Recherche des impulsions 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… Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

Waveform Recovery at large Band Extraction via Linear Predictive Coeficients (Adaptative optimal filtering) Signal (noise+ pulse) Better than FFT  shape analysis  time resolution ~ns Remaining signal + Wavelet analysis for time tagging Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

Triangulation performances (1) DAM sun survey 15/01/05 & 02/06/06 solar flare in active region AR10720 on 2005 Jan. 15 Solar flair Standard deviation of received power versus time Normal day Night Night Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

Triangulation performances (2) ITrigger IG11 ID98 ID32 IA1 Principle of the triangulation Reconstructed directions versus sun ephemerids Distribution of the Residues Direction accuracy s = 0.74 ° Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

Sources en radio : un environnement chargé Trigger radio Front d’onde plan reconstruit à partir des signaux antennes des sources plus difficile à caractériser   des sources clairement en mouvement des sources statiques diffuses où ponctuelles Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

Sources radio : un environnement varié Des taux de trigger et des durées d’émission variés dans le temps Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

Sources radio : un environnement à préciser Une triangulation possible (onde sphérique) Des formes d’onde atypiques et variées Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

Des spectres variables Évolution du spectre en fréquence à basse fréquence en fonction du temps Minuit Ondes courtes en AM Midi Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

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 l’azote de l’atmosphère. Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008 Objectifs de CODALEMA Investiguer les possibilités de mesures impulsionnelles dans d’autres domaines Astroparticules, astronomie (neutrinos, pulsar,…) Physique de l’atmosphère (orage, elfe, sprite, blue jet, X ray flash,…) Détection des signaux anthropiques (avion,…) Ajouter les limites des techniques de detection. Les flux au sol. L’energie du LHC Definir l eV Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008