Abstract The work describes the design, construction and commissioning of the underground cosmic-ray experiment Experiment with MultiMuon Array (EMMA). The experiment is built into the Pyhäsalmi mine, in the town of Pyhäjärvi, Finland. The aim of EMMA is to determine the elemental composition of cosmic rays at an energy region around 4 PeV, the energy region called the ’knee’ region. This is achieved by measuring the lateral density distribution of high-energy muons originating from Extensive Air Showers (EAS). The design calculations for the EMMA experiment, which are based on the use of the parametrization of the lateral density distribution of muons, the method of shower reconstruction, and the energy and composition indicators, are presented. A strategy for reconstructing the composition of the cosmic rays is presented and it demonstrates the potential of applying unfolding techniques to the EMMA data. The effect of an array extension on the performance of EMMA is studied. The hardware used in the EMMA experiment is presented starting with an overview of the array and its detector stations. The EMMA array employs three different particle detectors, for which the main technical properties are given, and their use in the EMMA array is presented. A description of the infrastructure of the experiment is given and the rock overburden at the EMMA site at the depth of 80 metres is documented. The work contains the latest analysis of EAS data recorded by the tracking detectors of the experiment, which demonstrates that the experiment is taking data as planned and that the data are according to EAS physics expectations. Methods for event selection and tracking efficiency correction are presented, after which the analysis results of measured track multiplicity spectra are given. The shape of the recorded multiplicity spectrum indicates that the simplest model of a knee-like spectrum with a pure proton composition can not explain the data and that further analysis of the spectrum is required.

L'identification des sources de rayons cosmiques d'ultra-haute énergie (au-delà de 10^18 eV) constituerait une avancée majeure aussi bien dans le domaine de l'astrophysique que dans celui de la physique des particules. La difficulté principale dans la recherche de telles sources réside dans la perte de l'information directionnelle des rayons cosmiques les moins énergétiques. En effet, leur direction est sujette à des déviations d'amplitude inversement proportionnelle à leur énergie à cause des champs magnétiques qu'il traversent lors de leur propagation jusqu'à la Terre. D'autre part, pour des énergies supérieures à 4x10^(19)eV, l'interaction des rayons cosmiques avec le fond diffus cosmologique limite l'horizon de leurs sources à l'Univers proche (200 Mpc ou moins). Cette thèse a été effectuée au sein de l’observatoire Pierre Auger, le plus grand détecteur de rayons cosmiques de haute énergie. Elle est dédiée à l'étude, la sélection, la reconstruction, ainsi qu'à l'analyse des évènements de plus haute énergie. D'autre part, les particules de plus bas numéro atomique sont plus susceptibles de garder leur direction mais la composition des rayons cosmiques est inconnue à de telles énergies. Une méthode de sélection des événements les plus similaires aux protons a été élaborée et développée dans cette thèse pour étudier la possibilité de leur utilisation pour une "astronomie protons" / Identifying the sources of the ultra-high energy cosmic rays (UHECRs, above 10^{18} eV), the most energetic particles known in the universe, would be an important leap forward for both the astrophysics and particle physics knowledge. However, developing a cosmic-ray astronomy is arduous because magnetic fields, that permeate our Galaxy and the extra-Galactic space, deflect cosmic rays that may lose the directional information on their sources. This problem can be reduced by studying the highest energy end of the cosmic ray spectrum. Indeed, magnetic field deflections are inversely proportional to the cosmic ray energy. Moreover, above 4x10^{19} eV, cosmic rays interact with cosmic photon backgrounds, losing energy. This means that the sources of the highest energy cosmic rays observed on Earth can be located only in the nearby universe (200 Mpc or less). The largest detector ever built for detecting cosmic rays at such high energies is the Pierre Auger Observatory, in Argentina. It combines a 3000 km^2 surface array of water Cherenkov detectors with fluorescence telescopes to measure extensive air showers initiated by the UHECRs. This thesis was developed inside the Auger Collaboration and was devoted to study the highest energy events observed by Auger, starting from the selection and reconstruction up to the analysis of their distribution in the sky. Moreover, since the composition at these energies is unknown, we developed a method to select proton-like events, since high Z cosmic rays are too much deflected by magnetic fields to be used for cosmic-ray astronomy.

Après plus d'un siècle d'études, l'origine des rayons cosmiques d’ultra-haute énergie reste mal comprise. En améliorant la connaissance de la composition des rayons cosmiques détectés sur Terre, il est possible de contraindre les modèles concernant leur origine, ainsi que leur mécanisme de production dans les sources astrophysiques. Les simulations montrent que le champ électrique émis par les gerbes est sensible à leur développement dans l'atmosphère. Ce champ électrique peut être mesuré avec un cycle utile élevé, faisant du signal radio une observable prometteuse pour identifier le rayon cosmique primaire. Le signal radio permet également de mesurer sa direction d'arrivée et son énergie. Depuis 2006, l'observatoire Pierre Auger accueille plusieurs réseaux de radio détection des rayons cosmiques. Des démonstrateurs équipés de quelques stations (RAuger,MAXIMA) ont permis une caractérisation efficace de l'environnement radio du site, ils ont également apporté des contraintes sur les mécanismes responsables de l'émission du champ électrique par les gerbes dans le domaine du MHz. Les prototypes ont mené à la construction d’AERA (Auger Engineering Radio Array) qui, avec 124 stations couvrant 6 km², est le premier réseau grande échelle de radio détection des gerbes dans le domaine du MHz. AERA est déployé dans l'extension basse énergie de l'observatoire afin de bénéficier d'une statistique plus importante. Le réseau permet d'intéressantes mesures hybrides ; son emplacement permet en effet de croiser les données obtenues par la radio avec celles provenant du réseau de surface (SD) et des télescopes à fluorescence (FD) proches du réseau. Cette thèse est dédiée à la caractérisation de signaux transitoires radio détectés par RAuger et AERA. Comme un des défis de la radio détection des gerbes atmosphériques est de supprimer les bruits de fond anthropiques causant des déclenchements accidentels, des méthodes de réjection du bruit de fond et de sélection des coïncidences SD-AERA ont été développées. Une étude de la corrélation entre le développement de la gerbe dans l'atmosphère (profil longitudinal) et le champ électrique mesuré par les stations radio est également présentée. Cette étude valide le lien direct entre le champ électrique et le développement de la gerbe dans l'atmosphère et confirme l’intérêt du signal radio pour l’estimation de la nature des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie. / After more than a century of studies, one of the challenging questions related to ultra-high energy cosmic rays concerns their nature, which remains unclear. Improving the knowledge about the composition of cosmic rays will permit to constrain the models concerning their origins and the production mechanisms in the astrophysical sources. Simulations show that, the electric field emitted by the shower is sensitive to its development. This electric-field can be measured with a high duty cycle, and thus is apromising technique to identify an observable sensitive to the nature of the primary cosmic ray. The radio signal is also used to measure its arrival direction and its energy. Since 2006, the Pierre Auger Observatory hosts several radio detection arrays of cosmic rays, starting from small size prototypes (RAuger, MAXIMA) to achieve a large scale array of 124 radio stations: AERA, the Auger Engineering Radio Array covering 6 km². These different arrays allow the study of the radio emission during the development of the shower in the MHz domain. AERA is deployed in the low energy extension of the Pierre Auger Observatory in order to have a larger statistics. It enables interesting hybrid measurements, with the comparison of radio observable with those obtained with the surface detector (SD) and the fluorescence telescopes close to the array. This thesis is dedicated to the characterization of the radio transient signals detected by RAuger and AERA. As one of the challenges of the radio detection of air-shower is to remove the anthropic background causing accidental triggering, methods for background rejection and SD-AERA coincidences selection have been developed. A study of the correlation between the shower development in the atmosphere (longitudinal profile) and the electric-field measured by the radio stations is also presented. This study shows the relationship between the electric-field and the shower development in the atmosphere and confirms that the radio signal is a powerful tool to study the nature of the ultra-high energy cosmic rays.

Les rayons cosmiques sont des particules chargées, ainsi que des coproduits comme les photons et les neutrinos, issus de sources de rayons cosmiques galactiques ou extragalactiques. Ils arrivent au sommet de l'atmosphère terrestre avec des énergies primaires allant jusqu'à quelques 10 EeV. Lorsque les rayons cosmiques entrent dans l'atmosphère, ils interagissent avec les molécules de l'air et produisent un grand nombre de particules secondaires, créant une gerbe atmosphérique (extensive air shower, EAS). Accompagné des particules secondaires, une émission de la lumière Cherenkov et de la lumière fluorescence est induite par le passage des particules dans l'atmosphère. L'Observatoire Pierre Auger et Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) sont des observatoires dédiés à la détection des gerbes atmosphériques dans le but de répondre aux questions ouvertes concernant les rayons cosmiques, mais se concentrant sur différentes gammes d'énergie, les plus hautes énergies et les énergies autour de quelques PeV. Après plus de 10 ans d'exploitation de l'Observatoire Pierre Auger, la collaboration Auger a proposé une amélioration des détecteurs de son réseau de surface, appelée "AugerPrime". Le but est d'augmenter la sensibilité à la masse des particules primaires en ajoutant un détecteur scintillateur sur le détecteur Cherenkov à eau. Les deux observatoires sont dits «hybrides» car composés de télescopes optiques observant le développement longitudinal des gerbes et des réseaux de détecteurs de surface échantillonnant leurs profils latéraux. Dans cette thèse, une série d'études contribuant aux projets AugerPrime et LHAASO sont présentées. En ce qui concerne le projet AugerPrime, la présente étude comprend le travail de recherche & développement des scintillateurs et l'analyse de données du réseau de tester. Pour le projet LHAASO, des simulations de télescopes Cherenkov et une analyse multivariée des observations hybrides pour l'identification des masses primaires sont présentées. / Cosmic rays are charged particles, as well as coproducts like photons and neutrinos, originated in cosmic-ray sources inside or outside the Galaxy. They arrive at the top of the Earth's atmosphere with primary energies of up to a few 10 EeV. When the cosmic rays enter the atmosphere, they interact with the molecules in the air and produce a large number of secondary particles, creating an extensive air shower (EAS). The ground-based observation of the EAS can be used to deduce the energy, the arrival direction, and the mass composition of cosmic rays. The Pierre Auger Observatory and the Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) are both EAS observatories aiming at solving open questions of cosmic-ray studies but focusing on different energy ranges, the highest-energy and the so-called knee (around few PeV) regions. Based on the experience gained during the operation of the Pierre Auger Observatory for more than 10 years, the Auger collaboration has proposed an upgrade project, called ''AugerPrime'', with the aim of increasing the sensitivity of the surface detector array to the primary mass of cosmic rays. Both observatories employ the so-called ''hybrid detector arrays'' composed of optical telescopes overlooking the longitudinal development and ground detector arrays sampling the signal densities in the lateral direction of the EAS. The ground detector arrays of both observatories are being constructed or upgraded to have various types of particle detectors (scintillator and water-Cherenkov detectors), which allow us to decompose the electromagnetic and muonic components of the EAS. In this thesis, a series of studies contributing to the AugerPrime and LHAASO projects are presented. Concerning the AugerPrime project, the present study includes R&D work of the scintillator detector and data analysis of the engineering array. For the LHAASO project, simulations of the wide field of view Cherenkov telescope array and a multivariate analysis of LHAASO-hybrid observations for the primary mass identification are presented.

Cette thèse porte sur l’étude de la radio-sensibilité de Molécules AromatiquesHétérocycliques (MAH) à basse température exposées à une irradiation avec des ionslourds rapides. La présence de ces molécules dans les météorites carbonées sur Terre estune forte indication pour l’existence de cette catégorie de molécules dans l’espace.L’objectif de ce travail est de simuler l’effet des rayons cosmiques sur des MAH enphase solide et d’estimer leur résistance à l’irradiation. Les lignes de faisceaux deGANIL et de GSI permettent de simuler cet effet. L’évolution des MAH en phase solidea été monitorée par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier. Cela permet dequantifier la destruction des MAH, de déterminer leur section efficace de destruction etde détecter les molécules produites. Les sections efficaces de destruction de l’adénine etde la cytosine suivent une loi puissance en fonction du pouvoir d’arrêt électronique :σd~ Se1.2. Les nouvelles bandes d’absorption observées après l’irradiation des MAH sontprincipalement attribuées à des nitriles (R-C≡N), des isonitriles (R-N≡C) et (R-C≡C).L’évolution de la section efficace en fonction du pouvoir d’arrêt électronique a permisd’estimer la durée de vie de l’adénine dans l’espace : (14×106) années. Ces résultatspermettront de comprendre la stabilité et la chimie de ces molécules complexes dansl’espace. / The thesis concerns the study of the radio sensitivity of aromatic heterocyclic molecules(AHMs) at low temperature (12 K) exposed to swift heavy ion radiation. The presenceof aromatic heterocyclic molecules in carbonaceous meteorites on Earth is a strongindication that this class of molecules exists in outer space.The aim of this work was to study the effects of cosmic ray analogues on solid AHMsand to estimate their survival under radiation. The beam lines of GANIL and GSI allowto simulate the effects of cosmic rays in AHMs. The evolution of the solid AHMs underirradiation was monitored by Fourier transformed infrared absorption spectroscopy; thisallows to quantify the disappearance of AHMs, to determine their apparent destructioncross section and to detect their radioproducts. Furthermore, it was found that adenineand cytosine destruction cross sections (σd) follow a power law with the electronicenergy loss: σd~ Se1.2 .New IR absorption peaks arising from the AHMs degradationswere observed; these peaks can be attributed to nitriles (R-C≡N), isonitriles (R-N≡C),and (R-C≡C).The observed power law allowed the estimation of the lifetime of adeninein space exposed to galactic cosmic rays as (14×106) years. These findings may help tounderstand the stability and chemistry related to complex organic molecules in space.

Deux analyses sont présentées dans cette thèse. Une première analyse exploite les données du télescope à neutrino ANTARES pour sonder la présence d'un flux de neutrino diffus galactique. Cette analyse se base sur un modèle récent de propagation des rayons cosmiques dans la galaxie, le modèle KRAγ. Ce modèle prédit un flux de neutrinos particulièrement élevé et proche de la sensibilité des télescopes à neutrinos actuels. Il existe deux versions de ce modèle correspondant à différentes coupures sur l'énergie des rayons cosmiques, à 5 et 50 PeV/nucléon. Une méthode de maximisation d'une fonction de vraisemblance est utilisée pour prendre en compte les caractéristiques du modèle, autant spatiales qu'en énergie. Cette analyse a également été combinée avec les données de l'expérience IceCube dans le but d'exploiter au mieux les données actuelles. Des limites ont été mises sur ce modèle rejetant la version avec une coupure à 50 PeV et limitant la version avec une coupure à 5 PeV à moins de 1,2 fois le flux prédit par le modèle. Une deuxième analyse de suivi du signal d'ondes gravitationnelles GW170817 par le télescope à neutrino ANTARES est également présentée. Le signal d'onde gravitationnelles GW170817 résulte de la coalescence d'une binaire d'étoiles à neutrons. Cette deuxième analyse a pour objectif de sonder la présence d'un flux de neutrinos provenant de cet événement en cherchant des neutrinos corrélés spatialement et temporellement. J'ai pris part à cette analyse en y ajoutant les événement de type cascade. Aucun événement n'a été détecté en corrélation, des limites ont été mises sur le flux de neutrino attendu. / Two analyses are detailed in this thesis. A first analysis exploit the data of the ANTARES neutrino telescope to probe the presence of a Galactic diffuse neutrino flux. This analysis is based on a recent model of cosmic ray propagation in the Galaxy, the KRAγ model. This model predict a neutrino flux particularly high and close to the sensitivity of the current neutrino telescopes. Two versions of this model exist corresponding to different cuts in the cosmic ray energy, one at 5 PeV/nucleon and an other one at 50 PeV/nucleon. A method of maximization of a likelihood function is used in order to account for the model characteristics in energy and space. The analysis has also been combined with the data of the IceCube experiment in order to exploit all the available data. Limits have been put on this model rejecting the version of the model with the 50 PeV cut and limiting the version with the 5 PeV cut to less than 1.2 times the predicted flux.A second analysis of gravitational wave signal follow-up by the ANTARES neutrino telescope is also presented in this work. The GW170817 gravitational wave signal results from the coalescence of a binary neutron star system. This second analysis aims at probing the presence of a neutrino flux coming from this event looking for neutrino events correlated in space and time. I took part to this analysis by adding the shower-like event sample. No event has been detected in correlation, limits have been put on the expected neutrino flux.

This diploma thesis examines the possibilities of a new method of astronomical calibration at the Pierre Auger Observatory in Argentina. Its goal is to use stars as objects with known brightness to calibrate the fluorescence detectors and compare these results with the existing calibration. The analysis was done using computer programs which use the star catalog and experimental background data to compare the current calibration with our method. Results that are presented conclude that the calibration using stars is consistent with the existing calibration, however, the error of the new method is much higher. Nevertheless, there is a good potential for scale - it could be used for all past and future data. Potential improvements to this method and its error are suggested.

In this thesis, we present our two studies focused on the detection of cosmic γ-rays and the analysis of data from γ-ray observations. One study deals with the method of the Cherenkov transparency coefficient. This method is suitable for the detector calibration in experiments employing imaging atmo- spheric Cherenkov telescopes for the indirect detection of cosmic γ-rays. Us- ing rates of recorded air showers initiated by charged cosmic rays, the method aims at the monitoring of the atmospheric transparency to Cherenkov light and the calibration of the responses of Cherenkov telescopes. We present an extension of this method for the purposes of the Cherenkov Telescope Array observatory and demonstrate its feasibility using Monte Carlo simu- lations. Our other analysis utilizes more than 7 years of data from direct γ-ray observations by the Fermi Large Area Telescope. We describe in detail signal observed from the parts of the sky around the active galactic nuclei 1ES 0229+200 and Centaurus A. We report on the findings of new astro- physical sources of high energy photons and document spectral and temporal properties of their γ-ray fluxes. 1

Cosmic rays of energies above 1014 eV are detected mostly indirectly, by observing the extensive air showers they create in the atmosphere. Multiple experiments suggest that the current models of high-energy interactions do not describe the cosmic ray data perfectly, in particular when it comes to the prediction for the number of muons at ground. We present two models aiming to improve the description of the muon component, one based on the addition of particles with small momenta in the local center-of-mass frame of the high-energy hadronic interactions in the shower, the other on the addition of the so-called dark photons to the electromagnetic part of the shower. While we find the latter having no observable consequences, the former improves the agreement between observed and predicted amounts of muons both for the DELPHI cosmic ray data and for the measurements by the Pierre Auger Observatory. We also describe the FRAM telescope, a device used to monitor the atmosphere at the Pierre Auger Observatory, and its applications to the search for anomalous shower profiles and to the measurement of the aerosol content of the atmosphere, which is crucial for the analysis of data obtained by fluorescence detectors. 1

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