Etude des sursauts gamma à partir des neutrinos de haute énergie : application au télescope ANTARES CPPM, 5 novembre 2007 Gabrielle Lelaizant Sous la direction de J. Busto et de V. Bertin

Principe du positionnement acoustique Performances du système de positionnement acoustique Méthode spécifique développée pour les sursauts gamma Calcul du flux de neutrinos attendu pour des sursauts gamma individuels

Reconstruction et positionnement acoustique Précision ~ ns pour les OM  Précision < 20 cm Reconstruction : les algorithmes de reconstruction utilisent les temps des hits dans les modules optiques (OM) et leur position pour trouver l‘angle zénithal de la trajectoire du muon (minimisation en χ2 et/ou maximisation de vraisemblance) . Positionner par triangulation les modules acoustiques (Rx)  Géométrie des lignes (avec les données inclinomètres compas de chaque étage) Rx

Distances acoustiques Rx 5 Rx 4 Rx 3 Rx 2 Rx 1 Distances acoustiques Données du 21 septembre 2006 au 29 janvier 2007 Données du 29 janvier au 6 avril 2007 Transpondeur sur Pyramide BSS MILOM

Vitesse du son Mesure effectuée à 2358 m de profondeur Précision requise : ~ 5 cm.s-1

Distances acoustiques Rx 11 Cycle indirect

Filtrage des données acoustiques Rx 15 Données brutes Cycle indirect La méthode de filtrage est basée sur un calcul de moyenne glissante sur 10 minutes pour chaque temps brut associé à chaque distance.

Un tracé de la distribution de ( <T>i – Ti) pour chaque temps brut permet de déterminer une fenêtre de temps autorisé et de filtrer sur cette base de temps. 1 ms = 1.5 mm σ = 40 µs σ = 111 µs

Un calcul de triangulation de ces distances permet de connaître les positions de l’hydrophone. 4 distances sont requises pour la triangulation et le calcul d’erreur sur la position.

Déplacement horizontal des hydrophones des lignes 1 et 2 Line 1 Line 2

Filtrage des données Lignes 1 à 5 L’origine des dispersions a été identifiée comme un bruit électronique. La correction de ce bruit a été implémentée sur les nouvelles lignes. Le comportement des hydrophones des lignes 3, 4 et 5 correspond à celui du Rx 11. Mais le filtrage reste utile (exemple : Rx33) Données brutes Moyenne

Déplacements horizontaux Données du 29 janvier au 6 avril 2007 Axe de la ligne Axe de la ligne Ligne 1 Ligne 3 Axe de la ligne Ligne 2

Axe de la ligne Ligne 4 Axe de la ligne Ligne 5

Problème identifié Comme montré précédemment, les déplacements horizontaux ne sont pas centrés sur l’axe des lignes (et ce sur toutes les lignes) Identification du problème : les positions fixes (et principalement les profondeurs) de certains pieds de ligne (MILOM) et du transpondeur étaient fausses d’environ 1,6 m. Or, ces positions fixes sont utilisées en entrée du code de triangulation entraînant ainsi un décalage du référentiel acoustique de 0,5°!

Nouvelle détermination rigoureuse des profondeurs : en utilisant le capteur de pression du R.O.V. et en forçant une forme verticale des lignes dans les périodes de courant calme

Nouvelles données acoustiques Données du 29 janvier au 6 avril 2007 Déplacement radial Période mouvementée Période calme

Déplacements horizontaux Ligne 4 Après correction des profondeurs Axe de la ligne Avant correction des profondeurs

Influence de la vitesse du son Etude de l’effet de la vitesse du son Modification de la valeur absolue de la vitesse du son Modification du coefficient fourni par l’Unesco, Kc, utilisé pour transposer la vitesse du son à différentes altitudes SVDepth2 = SVDepth1 + Kc * (Depth 1 – Depth 2) Etudes réalisées sur les hydrophones de la ligne 4

Effet faible dans le plan horizontal lors du changement aussi bien de valeur absolue que de Kc

Etage supérieur de la ligne 4 Effet important du changement de valeur absolue sur l’altitude

Estimation des différences induites par des modifications sur la vitesse du son Modification de la valeur absolue ou du Kc  Δx et Δy < 1 cm Modification de la valeur absolue: Δz augmente avec l’altitude (~6 cm en bas de ligne jusqu’à ~30 cm au sommet) Modification de Kc: Δz augmente avec l’altitude (jusqu’à ~3 cm en sommet de ligne)

Etude des résidus en distance Performances : Etude des résidus en distance Rx 45 Provenant de la soustraction des distances calculées (à partir des positions triangulées quand un émetteur est manquant) aux distances calculées (à partir des positions triangulées avec tous les émetteurs en fonctionnement)

Résidus en distance ≤ 6 cm pour tous les hydrophones de la ligne 4 (fidèles aux performances attendues) En cm Module L1 L2 L3 L4 L5 MILOM TR2 Rx 41 -4.44 2.62 0.3 0.7 -2.33 2.71 -4.25 Rx 42 -5.97 1.82 -0.43 2.73 -2.44 5.77 -6.13 Rx 43 -6.29 1.48 -0.09 2.82 -2.05 6.19 -6.14 Rx 44 -6.34 1.68 0.88 0.83 -1.31 5.09 -5.32 Rx 45 -6.31 1.54 0.72 0.96 -1.01 5.32 -5.22 Les différences de coordonnées induites par la perte d’un émetteur confirment l’importance de la perte des émetteurs Ligne 1, MILOM et Transpondeur 2 respectivement sur les coordonnées y et x (géométrie du détecteur)

Sources astrophysiques Noyaux actifs de galaxies (quasars) Trou noir de 106-108Mסּau centre Disque d’accrétion et jets Sources extragalactiques Pulsars Micro quasars Analogue galactique du quasar (1-10Mסּ) Sources galactiques Crabe Restes de supernovae RXJ1713-3946 Centre de la Galaxie

Signal très clair, sans fond dans ANTARES Sursauts gamma Durée du Burst Pulses courts (1ms à 100 s) de rayons γ (~ 1 MeV) Count rate in unit of 1000 counts s-1 Energie totale émise : 1053 ergs Apparition lors de phénomènes astrophysiques violents et lointains (0.03 < z < 6.29) Systèmes binaires Effondrement d'une étoile (très) massive et formation d'un trou noir entouré d'un disque d'accrétion BATSE Coincidence γ, ν en temps et en position Signal très clair, sans fond dans ANTARES

Méthode spécifique de détection des sursauts gamma t = -250 s t = 0 s Tout est écrit sur disque t = -250 s t = 200 s Prise de données spécifique déclenchée par un satellite (SWIFT, INTEGRAL, HETE) t = 0 s t = 20 s M. Bouwhuis, ANTARES PhD Thesis Filtrage des données et reconstruction spécifiques par recherche d’événements dans la direction du sursaut gamma (offline) t = 1 h

Satellite triggered data taking efficiency satellite triggers satellite triggered data taking number of satellite triggers M. Bouwhuis, ANTARES PhD Thesis 152 triggers GRB depuis le 20 octobre 2006 date

Travail en cours : écrire un programme C++ permettant de calculer le flux de neutrinos attendu pour des GRBs individuels à partir du flux de γ observé afin d’estimer le nombre d’événements attendus (mais en aucun cas contraindre) Modèle: Modèle de la boule de feu (plus communément admis) D. Guetta, D. Hooper, J. Alvarez-Muniz, F. Halzen, E. Reuveni, Astropart. Phys. 20 (2004) 429 E.Waxman, J.Bahcall, Phys. Rev. D 59, 023002 (1998) E.Waxman, J.Bahcall, Phys. Rev. Lett. 78, 2292 (1997)

Modèle de la boule de feu Synchrotron Jet relativiste: Accélération des p et e- γ εν ~ 100TeV εν ~ 100PeV p + γ Δ+ π+, π0 π+ μ+ + νμ e+ νeνμνμ εp εγ ~ 0.2 Γ2 GeV2 εν ~ 0.05 εp E.Waxman, J.Bahcall, Phys. Rev. D 59, 023002 (1998) E.Waxman, J.Bahcall, Phys. Rev. Lett. 78, 2292 (1997)

γ-spectrum provient de la courbe de lumière GRB Hypothèse : Quantité d’énergie cinétique également fournie aux p et aux e- Neutrino produits par interactions photomeson des p accélérés avec les photons du sursaut γ-spectrum provient de la courbe de lumière GRB p-spectrum : accélération de Fermi Énergies de coupure du spectre ν : énergie de seuil de photoproduction des pions (ενb) perte d’énergie synchrotron du pion (ενs) perte d’énergie synchrotron du muon (ενs) D. Guetta, D. Hooper, J. Alvarez-Muniz, F. Halzen, E. Reuveni, Astropart. Phys. 20 (2004) 429 M. Naumann-Godo, ANTARES PhD Thesis

Emission prompte Observables Contrepartie optique nécessaire Paramètres libres

Conclusions : Les performances du système de positionnement acoustique ANTARES ont été estimées à partir des données acoustiques 5 lignes et valident les requêtes de la reconstruction. Les données acoustiques sont maintenant prises en compte dans la détermination de la forme des lignes.

Perspectives : Etude détaillée de l’influence de la géométrie des lignes Amélioration des efficacités de filtrage et de reconstruction Depuis le 29 janvier, 5 lignes sont connectées! Analyse des données sursauts gamma avec les 5 lignes Calcul du flux de neutrinos attendu pour des GRBs individuels à partir des γ-flux SWIFT observés et détermination des caractéristiques d’un sursaut gamma typique qui pourrait être observé par ANTARES

Backup Slides

Axe de la ligne Ligne 1 Axe de la ligne Ligne 2

Axe de la ligne Ligne 3 Axe de la ligne Ligne 5

γ fluence Valeurs typiques des paramètres Fγ (erg.cm-2) 10-5 Redshift J. K. Becker, astro-ph/0710.1557v1 γ fluence Fγ (erg.cm-2) 10-5 Redshift z 1-2 Equipartition fraction ξe 0.1 Burst luminosity Lγ (erg.s-1) 1052 Spectral indices α 1 (vary from 1 burst to another) β 2 γ break energy εγb(MeV) ν break energy ενb(GeV) 105 ενs(GeV) 107 Time variability Δt(ms) 10 Boost factor Γ 300

First step : For each timestamp and for each cycle: Sliding average calculation from n consecutive data (n can be easily modified) centered at the current timestamp Plots of the distributions of the differences between the current value and the average calculated at the same time- stamp ( <T>i – Ti) timestamp i i+1 i-5 i+4 < T >i (i + 1)-5 (i + 1)+4 < T >i+1

Response time satellite triggered data taking number of satellite triggers M. Bouwhuis, ANTARES PhD Thesis response time (s)