Détection de neutrinos cosmiques ultraénergétiques avec l’Observatoire Pierre Auger Véronique Van Elewyck (IPN, Orsay) L’Observatoire Pierre Auger aujourd’hui Les gerbes de neutrinos Critères de sélection Résultats actuels de la recherche de neutrinos dans les données et perspectives de sensitivité

L’Observatoire Pierre Auger Un détecteur hybride prévu pour une étude à grande statistique du spectre en énergie, de la direction d’arrivée et de la composition des rayons cosmiques ultra-énergétiques étude détaillée de la région de la coupure GZK (et au-delà) combinaison de techniques de détection complémentaires: Télescopes de fluorescence (FD) Détecteur de surface (SD) meilleure résolution angulaire meilleur contrôle des erreurs systématiques informations complémentaires sur la masse du primaire combinaison d’une mesure calorimétrique de l’énergie (FD) avec la statistique du SD genou cheville Véronique Van Elewyck (IPN-Orsay) GDR Neutrinos , 4 octobre 2006 Exp 0.95: still valid ? Where does it come from ? To be studied with full shower simulations ? E acts as normalisation factor (equivalent of S(1000) to Efd conversion)

L’Observatoire Pierre Auger Le détecteur de surface Détecteur de fluorescence 4 télescopes à 6 “yeux” (3 en activité) Duty cycle ~ 10% Détecteur de surface 1600 cuves Cerenkov (~1000 actives) réseau hexagonal (d = 1,5 km) surface totale: 3000 km2 ~ 70 km

L’Observatoire Pierre Auger Détection des gerbes atmosphériques au sol Rayon cosmique primaire Première interaction cascade de particules secondaires (EM + hadronique) Front de particules

L’Observatoire Pierre Auger Détection des gerbes atmosphériques au sol Extension au sol: ~ qqs 10 km2 (à 1020 eV )

L’Observatoire Pierre Auger Le détecteur de surface = e+, e-;  = +, - Traces FADC: PMT1 PMT2 PMT3 Signal (VEM) t (ns) Conditions de déclenchement locales: Frequence d’echantillonnage 40 MHz Threshold (~ 100 Hz) Time Over Threshold (~ 1 Hz)

L’Observatoire Pierre Auger Le détecteur de surface: morphologie des gerbes 1 atm. 3 atm. Gerbe jeune : front épais et courbé (angle zénithal Θ ≤ 60º) Gerbe vieille : front mince et presque plan (angle zénithal Θ ≥ 60º) signaux courts à toutes distances du coeur: Threshold Stot = 1445 VEM R = 562 m Rajouter qqch sur le trigger ? signaux intenses et courts près du coeur: ToT + Threshold Stot =3.8 VEM R = 2660 m Stot =54 VEM R = 1472 m signaux plus faibles et étendus loin du coeur: ToT

Les gerbes de neutrinos Flux attendus de neutrinos UHE Φ(νUHE) prédit dans la plupart des modèles, tant astrophysiques (“bottom-up”: AGN, GRBs…) que de physique exotique (“top-down”) pas de coupure GZK pour les νUHE flux garanti: ν cosmogéniques (produits par interaction GZK des rayons cosmiques hadroniques) νe : νμ : ντ = 1 : 2 : 0 à la source + oscillations en route: νe : νμ : ντ = 1 : 1 : 1 sur Terre …mais petit nombre d’événements attendus vu la faiblesse des flux et des section efficaces d’interaction Véronique Van Elewyck (IPN-Orsay) GDR Neutrinos , 4 octobre 2006

Les gerbes de neutrinos Identification: gerbes inclinées descendantes Pourquoi les gerbes inclinées ? discrimination possible entre RC hadroniques et neutrinos σνN << σpN : les gerbes neutriniques sont plus pénétrantes (en fait λν ≈ 105 atm !) p+  p+ : gerbes hautes, vieilles essentiellement muons ν : gerbes profondes, jeunes composante EM + muons

Les gerbes de neutrinos Identification: gerbes rasantes de ντ Une autre configuration prometteuse: ντ rasants libre parcours moyen λν ∞ E1/3 , λν ≈ 500 km à 1018 eV νe  e± : absorbés dans la Terre νμ  μ± : s’échappent sans produire de gerbe ντ  τ± : propagation régénérative dans la Terre le τ émergent peut se désintégrer près du détecteur Gain d’un facteur ~15 par rapport aux gerbes descendantes !!! 1017 – 1019 eV Les efforts de la collaboration se sont portes surtout sur ce canal de gerbes rasantes et sur la definition de criteres de selection efficaces pour etre surs de ne rater aucun neutrino X. Bertou et al., Astropart. Phys 17 (2002) 183

Les gerbes de neutrinos Propagation à travers la Terre Interaction dans la Terre (supposée homogène, <A> = 22, X = 2.15 g cm-2 ) σcc = 10-32 cm2 x E18 0.363 σnc = 0.4 σcc le ντ produit est réinjecté dans la chaîne Pertes d’énergie du τ: approximées par dE/dx = -(a + b(E) E) - Bremsstrahlung - Production de paires - Deep Inelastic Scattering …Source dominante d’erreur systématique ! (~ 1 ordre de grandeur…)

Critères de sélection Gerbes rasantes de ντ Une gerbe hadronique détectée à θ = 20°, E ~ 3 EeV : bruit ! doublet Quelques exemples de gerbes qui nous aident a mieux cerner les criteres de selection propres aux gerbes de neutrinos tau

Critères de sélection Gerbes rasantes de ντ Une gerbe hadronique détectée à θ = 80°, E ~ 5 EeV : Gerbe tres inclinee; les signaux sont tres courts et tres piques et declenchent un trigger de type “seuil”; la gerbe est encore relativement compacte mais avec une configuration allongee qui temoigne du grand angle d’incidence

Critères de sélection Gerbes rasantes de ντ Une gerbe de ντ simulée Gerbe rasante legerement au-dessous de l’horizontale, a energie relativement faible; la structure allongee est aussi visible mais les signaux sont ici beaucoup plus faibles et etendus et declenchent un trigger de type TOT Une gerbe de ντ simulée à θ = 91°, E = 0.3 EeV

Critères de sélection Gerbes rasantes de ντ Une gerbe de ντ simulée à θ = 91°, E = 10 EeV Si l’on va a plus haute energie les traces sont plus longues et le nombre de cuves touchees augmente; une majorite de signaux verifient le trigger TOT, ce qui temoigne bien du fait qu’on a affaire a une gerbe jeune

Critères de sélection Gerbes rasantes de ντ Δd/Δt=v W L Sélection basée sur 2 propriétés fondamentales: gerbes jeunes gerbes quasi-horizontales au moins 3 stations avec un trigger TOT condition géométrique: trace allongée contrainte sur L/W: paramètre de forme de l’ellipse d’inertie (pondérée par les signaux) condition temporelle: compatibilité avec un front plan se déplaçant à v ≈ c contrainte sur Δd/Δt: temps de propagation du signal entre 2 cuves L W Δd/Δt=v

Résultats et perspectives de sensitivité Conclusions Auger a bel et bien un potentiel de découverte des neutrinos cosmiques ultraénergétiques avec 1017 eV < Eν < 1019 eV: canal le plus prometteur: gerbes de τ provenant de ντ rasants discrimination basée sur les caractéristiques des gerbes: inclinées et pénétrantes pas de procédure de reconstruction de l’énergie (configurations alignées, dispersion en énergie du τ émergent et incertitude sur l’énergie visible dans la gerbe) Eν = 3 EeV E = 1 EeV

Résultats et perspectives de sensitivité Conclusions La recherche de neutrinos est en cours: …bientôt des limites contraignantes sur les flux de neutrinos cosmiques UHE ? Limites supérieures à 90% C.L. après 1 an d’Auger complet correspondant à ≠ hypothèses de flux Contraintes possibles sur les modèles exotiques avec σνN << σνN (MS): (notamment modèles à dimensions suppplémentaires où νN  micro-trous noirs) comparaison du nombre d’événements inclinés vs. rasants Préliminaire