Academic literature on the topic 'Télescope à muons'

Le télescope à neutrinos ANTARES est un détecteur sous-marin situé en mer Méditerranée. L'univers étant transparent aux neutrinos, leur étude est un moyen unique d'améliorer nos connaissances sur la nature et l'origine des rayons cosmiques, ainsi que sur les mécanismes d'émission des sources astrophysiques les plus puissantes de l'univers. Les neutrinos offrent en outre la possibilité d'ouvrir une nouvelle fenêtre d'observation en énergie (> TeV) sur l'univers. Cette thèse est consacrée à l'étude du bruit de fond principal du détecteur, dû au passage de muons atmosphériques produits lors de la désintégration des rayons cosmiques de haute énergie avec les noyaux de l'atmosphère. La première partie de cette thèse est dédiée à l'étude du détecteur. Les différentes caractéristiques du détecteur, son étalonnage ainsi que les techniques de réglages de l'électronique y sont détaillés. La seconde partie de cette thèse fait état des différents résultats obtenus sur les muons atmosphériques avec un détecteur à cinq lignes. Une présentation détaillée de la simulation utilisée y est présentée. La première difficulté de détection des muons atmosphériques est due à la géométrie du détecteur, la seconde au fait que les muons atmosphériques arrivent souvent en gerbes et que le nombre de muons dans une gerbe à 2500 m de profondeur est encore inconnu. Une première étude basée sur des simulations permet de discriminer entre les muons seuls et les gerbes de muons. Une seconde étude est dédiée à la mesure du flux de muons en fonction de la profondeur de détection. En prenant en compte les erreurs systématiques, la mesure est compatible avec les résultats d'autres instruments
The neutrino telescope ANTARES is a deep-sea detector located in the Mediterranean Sea. The universe is transparent to neutrinos, so their study provides a unique means of improving our knowledge of the nature of cosmic rays, their origins and their emission from the most powerful astrophysical sources in the cosmos. Neutrinos also offer the possibility of opening a new energy window (>TeV) for observation of the universe. This thesis is dedicated to the study of the main background noise of the detect of, due to the passage of atmospheric muons produced by high energy cosmic rays interacting with atmospheric nuclei. The first part of this thesis focuses on the study of the detector. The different characteristics and the calibration of the detector as well as the techniques of monitoring the electronic are described. The second part of this thesis reports the various results obtained on the atmospheric muons with the five line detector. A detailed presentation of the simulations used is presented. The first difficulty of detecting atmospheric muons is due to the geometry of the detector. The second is due to the fact that the atmospheric muons often arrive in bundles and that the number of muons in these bundles is unknown at a depth of 2500 m. A first study based on simulations makes it possible to discriminate between the muons alone and the bundles of muons. A second study is dedicated to the measurement of the muon flux depending on the slant depth. The measurement is compatible with the results of other instruments when the systematic uncertainties are taken into account

La collaboration ANTARES construit un télescope à neutrinos en mer Méditerranée. Ce détecteur est composé de 900 PM répartis sur 12 lignes afin de détecter le cône Cherenkov dû au muon induit par l’interaction d’un neutrino dans le détecteur. Actuellement les 5 premières lignes de cet instrument ont été connectées. Un premier travail a consisté à étudier la stabilité des calibrations du détecteur, nécessaire pour bien en comprendre le fonctionnement. Ensuite nous nous sommes intéressés aux propriétés optiques de l’eau en développant une méthode de reconstruction dédiée aux balises LED. Les paramètres ainsi extraits étant comparables avec ceux utilisés dans la simulation des muons atmosphériques, nous proposons ici des critères de qualité visant à rejeter les événements mal reconstruits. Ceux-ci ont ensuite été appliqués aux données réelles afin de réaliser une analyse préliminaire des muons atmosphériques avec un détecteur à 5 lignes. Les résultats sont comparables à la simulation
ANTARES collaboration is building a neutrino telescope in the Mediterranean Sea. This detector contains 900 photomultipliers tubes, dispatched on 12 lines, in order to detect Cerenkov cone due to muon induced by neutrino interaction in the detector. Currently the five firsts lines have been deployed. A first job consist to study stability of detector calibration, which is a necessary step to understand the detector operation Then we studied optical properties of water, for this we developed a reconstruction method dedicated to LED Beacon. Extracted parameters being compatible with atmospheric muon simulation, we propose quality critters aiming to reject badly reconstructed events. Those were applied to real data in order to make a preliminary analysis of atmospherics muon with a 5-lines detector

Le télescope à neutrinos ANATARES est situé à 2500 mètres de profondeur, et est composé d'un réseau de 900 photomultiplicateurs installés pour la détection de la lumière Cherenkov émise par les muons, induits par l'interaction de neutrinos avec la matière, et dans le but de reconstruire leur direction. Cependant en outre d'être en mesure de détecter des neutrinos de hautes énergies, les télescopes à neutrinos pourraient mesurer le passage de monopoles magnétiques dans le détecteur. Dans ce travail, ont été présentées tout d'abord les différentes méthodes d'étalonage utilisées afin de caractériser les photomultiplicateurs, qui sont le coeur d'un télescope à neutrinos. La possibilité de détecter des monopoles magnétiques avec ANTARES a ensuite été abordée, puis une première analyse optimisée pour la recherche de monopoles de hautes vitesses a montré la grande sensibilité offerte par le télescope. Enfin, un algorithme de reconstruction de traces a été modifié, et une nouvelle analyse, cette fois sensible sur une plus grande gamme de vitesse a été effectuée. Après l'application de la dernière analyse sur les données prises en 2008 par le télescope ANTARES, de nouvelles limites supérieures sur le flux de monopoles magnétiques de masse inférieure à 10^{14} GeV ont finalement été obtenues, et sont les meilleures contraintes expérimentales sur leur flux pour la région de vitesse \beta = [0.65, 0.995]
The ANTARES neutrino telescope is located at 2500 m depth, and is composed by an array of 900 photomultipliers to detect the Chrenkov light emitted by muons, induced by the neutrino interactions with matter, and in otrder to reconstruct their direction. Moreover, except the ability of detecting high enerdy neutrinos, neutrino telscopes could measure the crossing of magnetic monopoles in the detector. In this work, were first presented the differet calibration methods used in order to calibrate the photomultipliers, which are the heart of a neutrino telescope. The possibility of detecting magnetic monopoles with ANTARES has then been discussed, and a first analysis optimised for the search of magnetic monopoles with hight velocities showed the high sensitivity offered by the telescope. Finalmly, a track reconstruction algorithm has been modified, and a new analysis, this time sensitive over a larger range of velocities was performed. After the application of the analysis on data taken in 2008 by the ANTARES telescope, new ipper limits ont eh magnetic monopole flux, for masses below 10^{14} GeV were obtained, and are the best experimental constraints on their flux for the velocity region \beta = [0.65, 0.995]

L'astrophysique des neutrinos de haute énergie est une branche relativement récente dans l'astrophysique des particules. L'observation de ces neutrinos nécessite la construction de nouveaux types de télescopes immenses. Après une phase de recherche et de développement pendant laquelle elle a démontré la faisabilité d'une telle entreprise en milieu sous-marin, la collaboration ANTARES construit maintenant un télescope à neutrinos avec une surface de 0,1 km². Le détecteur, exposé à un taux élevé de bruit de fond ambiant, doit être capable de reconnaître un faible signal physique, ce qui nécessite un déclenchement à la fois puissant et efficace. Nous présentons ici une analyse des différentes possibilités d'un déclenchement local. A l'issue de cette étude, la définition du déclenchement final du détecteur est devenue possible. Nous présentons également une étude des performances du détecteur envisagé. L'analyse nécessite la simulation d'événements de très haute énergie (TeV-PeV). A ces énergie les programmes de simulation utilisent des hypothèses différentes, ce qui a nécessité une comparaison de leurs résultats avant utilisation. Une caractéristique importante d'un télescope à neutrinos est sa résolution angulaire. Celle d'ANTARES, obtenue dans cette thèse est de l'ordre de 0,5° pour les muons ascendants et inférieure à 1° pour les muons descendants. Une détection de l'ombre de la Lune, dont nous avons étudié la faisabilité, permet de vérifier ce résultat après 2-5 ans de prise de données.

La muographie est une technique d’imagerie en physique des particules où les muons atmosphériques traversant une cible sont utilisés pour déterminer des informations de l’intérieur de la cible : distribution de la densité ou composition chimique via le numéro atomique. En fonction de l’énergie des muons et de la quantité de matière à traverser, il y en a qui vont survivre et d’autres qui vont être arrêtés par la cible. Et, la diffusion des muons dépend, en première approximation, de leur impulsion et du numéro atomique moyen le long de leur parcours de vol. La muographie propose, à partir de la mesure de la transmission et/ou de la diffusion des muons à travers la cible, de fournir des informations sur son intérieur.Il existe actuellement deux types de muographie : la muographie par transmission où le flux transmis des muons à travers la cible est mesuré pour inférer la distribution de densité de la cible et la muographie par diffusion où la diffusion des muons à travers la cible est utilisée pour déterminer la distribution du numéro atomique de la cible. Cette thèse traite de la muographie par transmission pour radiographier les volcans.Dans le cas de la muographie par transmission, un télescope à muons est utilisé pour mesurer le flux transmis des muons atmosphériques à travers la cible. Ce flux est, en première approximation, une fonction bijective de la quantité de matière rencontrée par les muons. L’idée est d’inverser le nombre de muons mesurés en une estimation de la densité de la cible.Il existe d’autres méthodes d’imagerie en géophysique permettant de reconstruire la densité d’une cible. C’est le cas, par exemple, de la gravimétrie et de l’imagerie par sismicité. Ces méthodes dites conventionnelles présentent des faiblesses. Pour ces méthodes, le problème d’inversion est soit mal posé, c’est-à-dire il n’existe pas de solution unique ou la solution présente de grandes variations pour de petites variations des paramètres dont elle dépend. Un ensemble de contraintes supplémentaires sont alors ajoutées pour enlever la non-unicité.En muographie par contre, le problème d’inversion est bien posé et la solution est unique. Les méthodes conventionnelles en géophysique ne permettent pas, à elles seules, de déterminer la densité de la cible. Jointes avec la muographie, elles présentent de gros potentiel, soit en fournissant d’autres informations sur la roche et/ou sur la nature de l’eau, soit en améliorant la précision sur la reconstruction de la densité de la cible.Plusieurs expériences utilisent l’approximation CSDA (Continuous Slowing Down Approximation) pour estimer la probabilité de survie des muons à travers une cible. Le fait d’utiliser cette approximation, donc de négliger le caractère stochastique de l’interaction des muons avec la matière, sous-estime la probabilité de survie des muons et par conséquent induit des effets systématiques sur la reconstruction de la densité. Dans les kilomètres de roche standard l’effet est de 3% - 8% en fonction de la modélisation de l’interaction des muons de hautes énergies avec la matière. En outre, une mauvaise estimation du bruit de fond des muons de basse impulsion qui affectent la mesure du signal résulte en une sous-estimation de la densité de la cible par rapport à la gravimétrie. Cela vient probablement de l’utilisation de l’approximation analytique pour simuler la propagation des muons à travers la cible et de la difficulté de rejeter dans la mesure ceux de basse impulsion. Pour ces raisons, dans l’expérience MIM (Muon IMaging) (où cette thèse a été réalisée), nous utilisons un traitement Monte Carlo pour simuler le transport des muons à travers la cible. Dans ce cas, nous pouvons estimer précisément l’effet de ces muons de basse impulsion sur la reconstruction de la densité. (...)
Muography is an imaging technique in particle physics where atmospheric muons passing through a target are used to determine information about the interior of the target : density distribution or chemical composition via the atomic number. Depending on the energy of the muons and the amount of matter they have to cross, some of them will survive and others will be stopped by the target. And, the diffusion of the muons depends, to a first approximation, on their momentum and the average atomic number along their flight path. Muography proposes, from the measurement of the transmission and/or diffusion of muons through a target, to provide information about its interior.There are currently two types of muography : transmission muography, where the transmitted flux of muons through the target is measured to infer the density distribution of that target, and diffusion muography, where the diffusion of muons through the target is used to determine the distribution of the atomic number of the target. This thesis discusses transmission muography in order to radiography volcanoes.In the case of transmission muography, a muon telescope is used to measure the transmitted flux of atmospheric muons through the target. This flux is, to a first approximation, a bijective function of the amount of matter encountered by the muons. The idea is to invert the measured number of muons into a density estimation of the target.There are other imaging methods in geophysics that can be used to reconstruct the density of a target. This is the case, for example, of gravimetry and seismic imaging. These so-called conventional methods have weaknesses. For these methods, the inversion problem is either ill-posed, i.e. there is no unique solution, or the solution presents large variations for small variations of the parameters on which it depends. A set of additional constraints are then added to remove the non-uniqueness.In muography however, the inversion problem is well posed and the solution is unique. Conventional geophysical methods alone cannot determine the density of a target. Combined with muography, they have great potential, either by providing other information on the rock and/or on the nature of the water, or by improving the accuracy of the target density reconstruction.Several experiments use the CSDA (Continuous Slowing Down Approximation) approximation to estimate the survival probability of muons through a target. Using this approximation, thus neglecting the stochastic character of the interaction of muons with matter, underestimates the muon survival probability and therefore induces systematic effects on the density reconstruction. In standard rock kilometers the effect is 3% - 8% depending on the modeling of the interaction of high energy muons with matter. In addition, a bad estimation of the background of the low momentum muons affecting the measurement of the signal results in an underestimation of the density of the target with respect to the gravimetry. This probably comes from the use of the analytical approximation to simulate the propagation of the muons through the target and the difficulty of rejecting in the measurement those with low momentum. For these reasons, in the Muon IMaging (MIM) experiment (where this thesis was conducted), we use a Monte Carlo treatment to simulate the muon transport through the target. In this case, we can accurately estimate the effet of these low momentum muons on the density reconstruction. One of the techniques used in our experiment, to make the low momentum muons scatter so that they can be statistically rejected, is to insert a thickness of lead between the telescope detection planes. (...)

Les muons sont produits suite aux interactions de particules cosmiques avec l'atmosphère. La faible probabilité d'interaction des muons avec la matière leur permet d'atteindre la croûte terrestre et d'en traverser les premiers kilomètres. L'étude de l'atténuation du flux de muons permet alors d'obtenir une mesure directe de l'opacité de la roche. Cette opacité correspond à la masse volumique du milieu, intégrée le long du trajet parcouru à travers la roche. Il est donc possible de réaliser une tomographie d'objets géologiques. Un modèle de flux de muons souterrain est construit ici à partir de modèles de flux estimés en surface et d'un modèle d'atténuation à travers la roche. Il est nécessaire d'évaluer le temps minimal d'acquisition de données pour réaliser une tomographie. Une équation de faisabilité de la méthode est établie, elle dépend de l'objet étudié ainsi que de la capacité de détection du capteur utilisé. Des télescopes à muons ont été construits et conditionnés pour supporter une installation sur le terrain. Nous avons développé la modélisation de leur capacité de détection et de leur résolution angulaire et également mis au point une méthode de calibration permettant de corriger le signal d'une éventuelle distorsion. Le développement de cette nouvelle méthode de tomographie géophysique est ensuite illustrée de deux exemples d'applications. Les mesures réalisées dans le laboratoire souterrain du Mont Terri nous ont permis de bénéficier de conditions d'acquisition stables pour perfectionner la construction des télescopes et valider les différents modèles. Un second détecteur a ensuite été installé sur les flancs de la Soufrière de Guadeloupe
Muons are produced by the interaction of cosmic rays with the atmosphere. Their low interaction probability with matter allows them to reach and cross the first kilometers of the Earth crust. The study of the muon flux attenuation allows to obtain a direct measurement of the rock opacity. This opacity corresponds to the media density, integrated along the muon path through rock. It is then possible to realise geophysical tomographies of geological objects. An underground muon flux model is developped herein from flux models estimated at surface and a model of muon flux attenuation through rock. It is necessary to evaluate the minimum time of data acquisition to realise a tomography, from the muon flux estimation and the a priori geological knowledge of the media. A feasability equation of the method is established, it depends on the studied object and on die detection capacity of the sensor used. Muons sensors have been built and conditionned to bear field installation. We developped the modelisation of their detection capacity and angular resolution as well as a calibration method to correct the signal from any distorsion. The development of this new tomographic method is then illustrated by two geophysical applications. The measurements realised in the Mont Terri underground laboratory (Switzerland) allowed us to benefit from stable acquisition conditions to perfect the telescopes construction and validate the different models. A second sensor has been placed later on la Soufrière de Guadeloupe flanks (West Indies). The density tomography allows to improve the knowledge of the internal structure in order to better estimate the hazards of this dangerous volcano

Pendant ce travail de thèse, 1640 flux de C0₂ et 876 flux de gaz radioactif radon-222 ont été mesurés sur le site de Syabru-Bensi dans l'Himalaya central du Népal. Les flux atteignent des valeurs très élevées, supérieures respectivement à 100 kg m. ⁻² jour⁻¹ pour le C0₂ et 12 Bq m. ⁻²s ⁻¹ pour le radon. Plus globalement, du Népal de l'Ouest à l'est du Népal central, plus de 2700 flux de CO₂ et plus de 1300 flux de radon ont été mesurés. Les décharges intégrées de C0₂ varient entre des valeurs d'environ 1 t an ⁻¹ et des valeurs comprises entre 500 et 2400 t an ⁻¹, et sont organisées de façon cohérente sur des sites séparés de plus de 10 km. Les forts dégazages ont lieu entre l'est des Annapurnas et la haute vallée de la Trisuli, segment qui concentre en outre une activité microsismique modérée et une lacune de grands séismes. La décharge de C0₂ est toujours associée à une décharge de radon, avec une relation qui dépend du site. Des mesures du terme source radon, ou concentration en radium effectif (ECRa), ont été effectuées sur plus de 1400 échantillons de roches et de sols, grâce auxquelles des modèles simples de transport ont été mis en place. Une forte décharge de radon peut être associée à une faible décharge de C0₂, lorsque le CO₂ provient du dégazage d'une source chaude riche en radon, ou lorsque le sol montre une forte ECRa. Les forts flux de radon associés aux forts flux de C0₂ peuvent provenir d'un dégazage d'une source à fort débit, mais peuvent aussi s'expliquer si le C0₂ est transporté d'une source profonde d'origine métamorphique à travers un réseau de failles. Ce travail ouvre de nouvelles perspectives dans la relation entre les séismes et les fluides géologiques
During this thesis, 1640 measurements of CO₂ flux and 876 measurements of the flux of radioactive gas radon-222 have been performed at the Syabru-Bensi geothermal System in the central Himalayas of Nepal. Fluxes reach extremely large values, larger than 100 kg m. ⁻² day⁻¹ for CO₂ and 12 Bq m⁻² s⁻¹ for radon. Overall, from Western Nepal to the East of central Nepal, more than 2700 measurements of C0₂ flux and more than 1300 measurements of radon flux have been carried out. Integrated C0₂ discharges vary from values of about 1 t year⁻¹ to values between 500 and 2400 t year⁻¹, and are organized in a coherent manner over sites separated by more than 10 km. Large discharges are concentrated between the East of the Annapurnas and the Upper Trisuli Valley, segment which coincides with moderate microseismic activity and a gap of large earthquakes. C0₂ discharge is always associated with radon discharge, with a relationship which depends on the site. Measurements of the radon source term, the effective radium concentration (ECRa), have been performed with more than 1400 rock and soil samples, thanks to which simple transport model have been established. Large radon discharge can be associated with a small CO₂ discharge, when CO₂ originates from the degassing of a radon rich hot spring, or when soil shows large ECRa. Large radon fluxes can be associated with large CO₂ flux in the presence of degassing of a hot spring with large flow rate, but also when CO₂ is transported from a deep metamorphic source through fault networks. This thesis opens new perspectives on the relationship between earthquakes and geological fluids