Caractérisation des signaux radio associés aux gerbes atmosphériques de très haute énergie mesurées par l'expérience CODALEMA Thibault Garçon SUBATECH CNRS/IN2P3, Université de Nantes, EMN Nantes

JRJC 2009 : Thibault Garçon 2 Sommaire La radiodétection L’expérience CODALEMA Les principaux résultats Les perspectives Collaboration CODALEMA ESEO Angers LAL Orsay LAOB Besançon LPCE Orléans LPSC Grenoble Observatoire Paris-Meudon Subatech Nantes CO smic ray D etection A rray with L ogarithmic E lectro M agnetic A ntennas Observatoire de Nançay

JRJC 2009 : Thibault Garçon 3 Les gerbes atmosphériques Cascade de particules 90% d’électrons et de photons 10% de muons Xmax Axe de la gerbe Direction d’arrivée du primaire, source Position du Xmax / composition de la gerbe Nature du primaire Nombre de particules au sol Energie du primaire

JRJC 2009 : Thibault Garçon 4 Détection radio Pourquoi la radiodétection? AvantagesInconvénients ParticulesCycle utile de 100%Dépendance aux modèles Faible surface de détection FluorescencePeu de dépendance aux modèles Large volume de détection Cycle utile de 10% Analyse difficile 2 principales techniques de détection des gerbes atmosphériques Auger

JRJC 2009 : Thibault Garçon 5 Les gerbes atmosphériques en radio 2 sources possibles : Effet Askar’yan : rayonnement Cherenkov de l’excès de charge Effet du champ géomagnétique sur les particules chargées B Askaryan, 1962 Kahn et Lerche, 1965 Huege et Falcke, 2000 Lasty, Scholten et Werner, 2005 Théories Expériences Jelley, 1965 Mont Chacaltaya, 1967 Moscow State University, 1968 Prescott, 1968 Bray, 1969 Haverah Park, 1970 Lopes, 2002 Codalema, 2002 AERA (Auger), 2009 ρ, j

JRJC 2009 : Thibault Garçon 6 L’expérience CODALEMA Deux systèmes de détection : 17 scintillateurs 24 antennes dipolaires 1 MHz 150 MHz Réponse en fréquence à Nançay AM FM - bonne sensibilité - large bande : 1 à 220 MHz - grande dynamique, bonne linéarité - variations douces du diagramme de réception

JRJC 2009 : Thibault Garçon 7 L’expérience CODALEMA Critère de déclenchement : 5 stations centrales détectent un signal en coïncidence 1 évènement / 7 minutes Information sur l’énergie (E cic ), l’angle d’arrivée (θ,  ), et la position du pied de gerbe (X 0,Y 0 ) Enregistrement déclenché par le trigger scintillateur Acquisition réalisée par une carte Matacq avec un ADC 12 bits à 1GHz : 2,5μs Scintillateurs Antennes

JRJC 2009 : Thibault Garçon 8 Le traitement des données Marquage des impulsion : méthode LPC (Thèse de Sandra Valcarès), Filtrage en fréquence Correction du temps de propagation dans les câbles direction et temps d’arrivée Signaux bruts 7 antennes de la branche NS 2.5 μs Fréquence en MHz Puissance en dB

JRJC 2009 : Thibault Garçon 9 Le traitement des données Evènements en coïncidence Δt < 100ns, Δ angle <25degrés Signaux radio associés aux gerbes! Temps effectif659 jours Triggers Coincidences1553 Coincidences + Internes 450 Informations fiables sur la gerbe : Energie et position du cœur Comparaison aux données scintillateurs Position des cœurs de gerbe

JRJC 2009 : Thibault Garçon 10 Les principaux résultats Distribution en énergie Efficacité en énergie Seuil particules : eV Seuil radio : ~ eV Efficacité totale au-delà de eV Radio Scintillateurs log E cic Nb de coups

JRJC 2009 : Thibault Garçon 11 Modèle simplifié Champ ε proportionnel à l’intensité de la force de Lorentz : ε  |v x B| Polarisation linéaire du champ ε parallèle à v x B Le nombre de coups (i.e. l’efficacité) est linéairement dépendant à l’intensité du champ ε Force de Lorentz (ε  sin(α) ) Acceptance du trigger Diagramme en réception + Polarisation Est-Ouest Nord Les principaux résultats X X Distribution des directions d’arrivée   Direction du champ magnétique

JRJC 2009 : Thibault Garçon 12 Les principaux résultats Données Simulation Le modèle reproduit fidèlement les distributions observées, notamment le maximum local au sud. La source géomagnétique de l’émission radio de la gerbe est avérée. Simulation Données Distribution des directions d’arrivée

JRJC 2009 : Thibault Garçon 13 Les distributions latérales du champ Paramétrisation exponentielle du profil, (Allan): évènement par évènement ε (d) α E P. sin α. cos θ. exp(-d/d 0 ) E0E0 Profils exponentiels Comprendre et corriger les profils incohérents… ε Corréler l’estimateur radio à l’énergie de la gerbe (Thèse de Thomas Saugrin) log10(Energie scintillateurs) E0 en uV/m

JRJC 2009 : Thibault Garçon 14 Les antennes défaillantes Amélioration de certains profils par la détection des antennes défaillantes, via une carte détaillée du champ mesuré Suivi de qualité de l’expérience.

JRJC 2009 : Thibault Garçon 15 Les effets d’environnement

JRJC 2009 : Thibault Garçon 16 Pas de corrélation visible entre l’absence de détection d’une impulsion et les éventuels effets d’environnement. Les effets d’environnement Distribution angulaire des évènements détectés pour chaque antenne Centre du DAM Forêt

JRJC 2009 : Thibault Garçon 17 Les effets d’environnement Distribution angulaire des évènements détectés pour chaque antenne Effet d’acceptance. Uniquement les antennes en bord de réseau. Uniquement les directions défavorables. Retard dû au câble : les antennes les plus éloignées ont leur temps de détection Matacq retardé. Effet de géométrie de la gerbe : une gerbe inclinée sera détectée plus tard par les antennes opposées à la direction d’arrivée. t 0 -dtt0t0 t 0 +dt dt’

JRJC 2009 : Thibault Garçon 18 Pas de corrélation visible entre l’absence de détection d’une impulsion et les éventuels effets d’environnement. Et pourtant… Les effets d’environnement Distribution angulaire des évènements détectés pour chaque antenne

JRJC 2009 : Thibault Garçon 19 Les effets d’environnement NE4N Evt : Theta = 63 / Phi = 333 Interférences? Fréquence en MHz Puissance en dB

JRJC 2009 : Thibault Garçon 20 Les effets d’environnement L’accord entre simulations et données est mis en évidence. Le diagramme en réception de l’antenne est modifiée par l’abri. Préliminaire Gain en fréquence Avec abri Sans abri Interne : eV θ = 47°  = 296° (NE) Fréquence en MHz Puissance en dB Gain en Bels Fréquence en MHz

JRJC 2009 : Thibault Garçon 21 Détection autonome Un objectif : un système 100% autonome (en trigger, alimentation et acquisition), robuste, compact et polyvalent. Une station prototype dédiée : une antenne, une carte ADC, un trigger, un GPS, un PC, un contrôleur et une alimentation. Station autonome

JRJC 2009 : Thibault Garçon 22 Détection autonome Critère d’évaluation : coïncidences OFFLINE avec le réseau cablé (trigger relié à un GPS). Bilan : 3 coïncidences en moins d’un mois, la première 3 jours après l’installation de la station!!! Sur le réseau cablé :

JRJC 2009 : Thibault Garçon 23 Détection autonome Critère d’évaluation : coïncidences OFFLINE avec le réseau cablé (trigger relié à un GPS). Bilan : 3 coïncidences en moins d’un mois, la première 3 jours après l’installation de la station!!! Sur la station autonome :

JRJC 2009 : Thibault Garçon 24 Détection autonome Critère d’évaluation : coïncidences OFFLINE avec le réseau cablé (trigger relié à un GPS). Bilan : 3 coïncidences en moins d’un mois, la première 3 jours après l’installation de la station!!! Différence des temps GPS : 1800ns Différence réelle : < 100 ns Détection autonome d’une gerbe en radio Station autonome qques ns GPS Station Antenne Réseau câblé GPS 1700ns Scintillateurs Station DAQ Scintillateurs

JRJC 2009 : Thibault Garçon 25 Conclusions Mise en évidence claire d’un processus géomagnétique d’émission du champ radio de la gerbe, dans les conditions de Codalema Données expérimentales en accord avec un modèle simplifié type force de Lorentz (directions d’arrivée, polarité des signaux, efficacité en énergie) au seuil en énergie Des effets d’environnement en cours d’identification et de quantification. Développement et résultats prometteurs de la détection 100% autonome

JRJC 2009 : Thibault Garçon 26 Perspectives Analyse fine de la corrélation en énergie Etude de la polarisation (motif au sol, distribution latérales, …) Réseau autonome à Nançay puis en Argentine sur le site d’Auger (AERA)

JRJC 2009 : Thibault Garçon 27 Les principaux résultats + - Le modèle prédit une amplitude de champ proportionelle en |(vxB) EW |. La polarité du signal est elle en accord avec le modele (vxB) EW ? Simulation Données Polarité des signaux

JRJC 2009 : Thibault Garçon 28 Antennes en polarisation NS Statistique faible, mais bon accord avec les simulations… Polarité des signaux Distribution des directions d’arrivée

JRJC 2009 : Thibault Garçon 29 Les principaux résultats A eV, l’efficacité croît linéairement avec |vxB| EW : L’hypothèse d’un taux de comptage proportionnel à l’amplitude du champ est validée