Reproduction de : Thèse de doctorat : Astrophysique : Lyon 1 : 2005. / Titre provenant de l'écran titre. 70 réf. bibliogr.

Thèse doctorat : Physique nucléaire. Astroparticules : Nantes : 2007. / 91 références bibliographiques.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Astrophysique : Toulouse 3 : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. à la fin des chapitres.

Le rayonnement cosmique galactique nucléaire est composé de noyaux de différentes espèces et ses sources sont encore mal identifiées. Cette méconnaissance est en partie due au caractère diffusif de la propagation des noyaux dans les champs magnétiques dont la composante turbulente supprime toute information sur la position des sources. Dans le rayonnement cosmique, on distingue les noyaux pri- maires qui sont principalement créés puis accélérés près de leurs sources des noyaux secondaires, uniquement créés par spallation des primaires plus lourds. La mesure des rapports d'abondance se- condaire sur primaire permet d'étudier les processus de propagation et donc de remonter aux méca- nisme sources du rayonnement cosmique. Cette étude apporte de plus une meilleure compréhension de l'environnement astrophysique galactique. Ce travail nécessite une très bonne connaissance des sections efficaces d'interaction du rayonnement cosmique dans le milieu interstellaire qui régissent la modification des abondances lors de la propagation. La première partie de cette thèse est dédiée à la contrainte des paramètres de propagation du rayonnement cosmique galactique via l'étude des abondances des éléments du quartet (1H,2H,3He,4He). À partir d'une nouvelle estimation des sections efficaces, une analyse statistique a permis de démontrer le potentiel de ces éléments pour contraindre les modèles de propagation du rayonnement cosmique. Ces contraintes restent cependant limitées par la précision statistique des mesures actuelles et justifient la mise en œuvre de nouvelles expériences. La deuxième partie de cette thèse est dédiée à la mesure des abondances avec l'expérience CREAM, une expérience embarquée en ballon. Cette mesure nécessite l'identification des éléments dans le dé- tecteur, le calcul des efficacités des sous-détecteurs, la déconvolution des effets dus aux erreurs sur la mesure de l'énergie ainsi que la prise en compte des effets atmosphériques. Cette analyse des données du 3ième vol de CREAM a permis une estimation des abondances des éléments bore, carbone, azote et oxygène. / The sources of Galactic cosmic-ray (GCR) nuclei are still poorly identified. This is partly due to the diffusive propagation (in turbulent magnetic fields) that erases all directional information about the measured fluxes. The species that are predominantly created and accelerated in the sources are denoted 'primary species'. Those mostly created by spallation of heavier primary species are denoted 'secondary species'. While primary fluxes give access to the source parameters, secondary-to-primary ratios trace propagation processes. Key quantities for such studies are the fragmentation cross sections on the interstellar gas and the measured fluxes and ratios. In the first part of this thesis, we provide new constraints on the Galactic propagation parameters from the quartet elements (1H,2H,3He,4He), relying on a new estimate of their cross sections and an evolved statistical analysis. The derived constraints are competitive with those obtained from the standard B/C ratio analysis. The results are however limited by the precision of current measurements and motivate the development of new experiments. The second part of this thesis is dedicated to the analysis of cosmic-ray fluxes measured with the CREAM balloon-borne experiment. We present the particle identification in the detector, the estimation of efficiencies for each sub-detector, the energy reconstruction, and the atmospheric correction. Applied to the 3rd flight data (CREAM-III), we provide new data points for the boron, carbon, nitrogen and oxygen elements above 100 GeV/n.

Ce travail de thèse, s'intéresse dans deux parties distinctes à deux thématiques astrophysiques indépendantes : i) certains aspects de la formation stellaire sont traités dans une première partie, alors que la seconde, plus modeste, s'intéresse au rayonnement cosmique.<br /><br />Lorsqu'une étoile se forme, alors que l'accrétion sur l'objet central se poursuit, de gigantesques éjections de matière se produisent sous forme de jets et flots moléculaires bipolaires. Après une<br />introduction donnant une vision globale de tous les éléments <br />impliqués dans la formation stellaire, nous présentons les modèles "standards" pour les flots moléculaires. Dans un<br />troisième temps, nous construisons un modèle alternatif et complémentaire aux approches standards~: le modèle de transit. Il s'agit d'un modèle MHD, autosimilaire et qui considère le renversement d'un partie de l'écoulement lorsque le gaz en chute <br />approche de l'objet central. Les résultats montrent notamment que le modèle permet de rendre compte des taux de masses observés lors de la formation des étoiles massives, taux que les modèles standards atteignent difficilement. Le modèle est étudié de façon <br />extensive grâce à une exploration Monte Carlo de l'espace des paramètres et la mise en évidence de deux grandes familles de solutions. Le modèle de transit donne une description à grande échelle de l'environnement proto-stellaire et montre une forte structuration du milieu autant en densité qu'en vitesse. C'est dans un tel milieu que le jet issu du disque d'accrétion se propage, et une étude numérique préliminaire de cette propagation montre que la morphologie et la cinématique du jet est fortement affectée par le milieu ambiant. Nous en déduisons l'importance d'avoir un bonne description de ce dernier et la nécessité de ne pas se contenter des milieux "uniformes et au repos" généralement considérés. <br /><br />La seconde partie est consacrée à la partie nucléaire du rayonnement cosmique Galactique. Ce "rayonnement" est constitué de noyaux qui se sont propagés dans la Galaxie et son halo diffusif, après avoir été accélérés dans les chocs de supernovae. Certains de ces noyaux atteignent la Terre où ils<br />sont détectés. Comprendre la propagation de ces noyaux est essentiel pour remonter, à partir des mesures, aux abondances des noyaux dans les sources. Dans ce travail, nous nous intéressons spécifiquement au cas des noyaux lourds, en connection avec l'expérience UHCRE, et regardons comment la structure locale de la Galaxie, la "bulle locale", affecte la propagation des lourds. Nous trouvons que la sous-densité locale du voisinnage solaire joue effectivement un rôle dans la détermination des abondances sources et que l'effet tend à réduire les différences entre les abondances sources et les abondances solaires des noyaux. Nous donnons enfin dans un dernier chapitre quelques perspectives pour la poursuite de cette étude.

Le télescope spatial GLAST dont le décollage est prévu pour 2006 est destiné à l'astronomie gamma de haute énergie (de 30 MeV à 300 GeV). Il améliore d'un facteur 20 la sensibilité de son prédécesseur EGRET, et couvre un domaine d'énergie plus large. Le nombre de sources attendues pourrait s'élever jusqu'à dix mille.<br> L'utilisation d'un calorimètre segmenté longitudinalement et transversalement permet de mesurer l'énergie et la position des gerbes avec une bonne précision, malgré sa faible épaisseur. A partir de simulations et de tests sur faisceau, nous avons mis au point des méthodes de reconstruction adaptées aux divers domaines d'énergie et d'angle d'incidence : correction des pertes dans la matière passive du trajectographe, correction de fuites longitudinale, et ajustement de profil de gerbe. Les performances obtenues sont détaillées. Nous détaillons aussi la mesure de position dans un calorimètre segmenté et mettons en évidence un certain nombre de biais de mesure.<br> D'autre part, la forte augmentation du nombre de sources attendues et la possibilité d'observer des objets étendus motivent la mise au point de méthodes d'analyse plus efficaces que celles à base de maximum de vraisemblance utilisées actuellement. Nous proposons une méthode fondée sur l'analyse en ondelettes adaptée à la recherche de source sur un fond brillant et hautement structuré. La statistique des tranformées en ondelettes du fond est détaillée. La méthode a été testée sur les données d'EGRET et nous discutons son application à GLAST.<br> Enfin, nous proposons et discutons l'utilisation de GLAST comme télescope à électrons cosmiques de très haute énergie (de quelques centaines de GeV à quelques TeV). Nous discutons en particulier les implications d'une telle mesure vis-à-vis de la production d'électrons dans les restes de supernovae proches et de leur propagation dans le milieu interstellaire. Plusieurs modèles d'accélérations ont été envisagés au sein des restes connus au voisinage du Soleil.

Nous avons développé une méthode pour analyse isotopique de Yb et Er, deux terres rares aux propriétés chimiques identiques et aux températures de condensation différentes, avec comme objectifs (1) de déterminer la variabilité isotopique de ces éléments dans les processus pétrologiques terrestres, et (2) de comparer leurs compositions isotopiques dans les chondrites, la Terre et la Lune afin de déterminer le rôle potentiel de la condensation à haute température à partir de vapeurs qui a suivi l'impact géant à l'origine de la formation de la Lune. Les résultats obtenus montrent une plus grande variabilité des fractionnements isotopiques de Yb par rapport à ceux d'Er. Deux effets contribuent à cette différence : un effet oxydo-réducteur et un effet de température. La corrélation positive obtenue entre la composition isotopique en Yb, et le rapport La/Yb dans les échantillons terrestres, peut être interprétée par la présence d'une faible fraction d' Yb(2+), Yb étant majoritairement présent sous la forme Yb(3+). La kimberlite (liquide magmatique formé par un faible taux de fusion partielle) est enrichie en isotopes lourds et les grenats, résidus de fusion partielle, sont isotopiquement légers, tandis que les basaltes de ride ou d'îles ont des compositions isotopiques intermédiaires.La composition isotopique en Yb de la Lune est enrichie en isotopes légers par rapport à celle de la Terre et des chondrites. Dans le disque proto-lunaire, les frictions entre les phases fondues et gazeuses favorisent la migration des premiers condensats très réfractaires et enrichis en isotopes lourds vers la Terre, et celle de la vapeur enrichie en isotopes légers, vers l'extérieur, au-delà de la limite de Roche à partir de laquelle la Lune s'accrète. Ceci est un nouvel argument en faveur de la condensation de la Lune à partir de vapeur générée par un impact géant. La mesure de la composition isotopique d'Er dans les échantillons lunaires reflète pour la première fois la capture par 167Er des neutrons produits par interaction du rayonnement cosmique galactique avec la surface lunaire. L'apport de Er aux systèmes communément utilisés pour déterminer le spectre d'énergie des neutrons d'un matériau peut permettre de couvrir une gamme énergétique plus large et de disposer ainsi d'un proxy plus complet pour l'étude des histoires des irradiations des matériaux planétaires.

AMANDA-II est un télescope à neutrinos composé d'un réseau tri-dimensionnel de senseurs optiques déployé dans la glace du Pôle Sud.<p>Son principe de détection repose sur la mise en évidence de particules secondaires chargées émises lors de l'interaction d'un neutrino de haute énergie (> 100 GeV) avec la matière environnant le détecteur, sur base de la détection de rayonnement Cerenkov.<p><p>Ce travail est basé sur les données enregistrées par AMANDA-II entre 2000 et 2006, afin de rechercher des sources cosmiques de neutrinos.<p>Le signal recherché est affecté d'un bruit de fond important de muons et de neutrinos issus de l'interaction du rayonnement cosmique primaire dans l'atmosphère. En se limitant à l'observation de l'hémisphère nord, le bruit de fond des muons atmosphériques, absorbés par la Terre, est éliminé.<p>Par contre, les neutrinos atmosphériques forment un bruit de fond irréductible constituant la majorité des 6100 événements sélectionnés pour cette analyse.<p>Il est cependant possible d'identifier une source ponctuelle de neutrinos cosmiques en recherchant un excès local se détachant du bruit de fond isotrope de neutrinos atmosphériques, couplé à une sélection basée sur l'énergie, dont le spectre est différent pour les deux catégories de neutrinos.<p><p>Une approche statistique originale est développée dans le but d'optimiser le pouvoir de détection de sources ponctuelles, tout en contrôlant le taux de fausses découvertes, donc le niveau de confiance d'une observation.<p>Cette méthode repose uniquement sur la connaissance de l'hypothèse de bruit de fond, sans aucune hypothèse sur le modèle de production de neutrinos par les sources recherchées. De plus, elle intègre naturellement la notion de facteur d'essai rencontrée dans le cadre de test d'hypothèses multiples.La procédure a été appliquée sur l'échantillon final d'évènements récoltés par AMANDA-II.<p><p>---------<p><p>MANDA-II is a neutrino telescope which comprises a three dimensional array of optical sensors deployed in the South Pole glacier. <p>Its principle rests on the detection of the Cherenkov radiation emitted by charged secondary particles produced by the interaction of a high energy neutrino (> 100 GeV) with the matter surrounding the detector.<p><p>This work is based on data recorded by the AMANDA-II detector between 2000 and 2006 in order to search for cosmic sources of neutrinos. A potential signal must be extracted from the overwhelming background of muons and neutrinos originating from the interaction of primary cosmic rays within the atmosphere.<p>The observation is limited to the northern hemisphere in order to be free of the atmospheric muon background, which is stopped by the Earth. However, atmospheric neutrinos constitute an irreducible background composing the main part of the 6100 events selected for this analysis.<p>It is nevertheless possible to identify a point source of cosmic neutrinos by looking for a local excess breaking away from the isotropic background of atmospheric neutrinos;<p>This search is coupled with a selection based on the energy, whose spectrum is different from that of the atmospheric neutrino background.<p><p>An original statistical approach has been developed in order to optimize the detection of point sources, whilst controlling the false discovery rate -- hence the confidence level -- of an observation. This method is based solely on the knowledge of the background hypothesis, without any assumption on the production model of neutrinos in sought sources. Moreover, the method naturally accounts for the trial factor inherent in multiple testing.The procedure was applied on the final sample of events collected by AMANDA-II. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette thèse est dédiée à la création d'un nouvel outil pour la mesure directionnelle du flux muonique basé sur une chambre de projection temporelle fine avec un plan de lecture Micromegas, afin d’obtenir un détecteur compact avec une résolution angulaire compatible avec les applications d’imagerie ou de monitoring en génie civil et géophysique. La principale motivation est de développer un détecteur capable de combler le vide technologique pour les applications ayant des contraintes d’encombrement et de transportabilité. Cette thèse fournit une revue des différentes technologies de détection de muons existantes et de leurs divers domaines d’application. Deux techniques de mesure de muons sont présentées : la muographie par transmission ou par diffusion. La muographie par transmission, mieux adaptée aux grandes cibles, est basée sur l'atténuation du flux naturel de muons cosmiques due à l'opacité des matériaux traversés. Cette technique passive et non-destructive fournit des informations originales qui pourront être intégrées dans une démarche d’imagerie. Le manuscrit présente la méthodologie utilisée pour la caractérisation du flux incident de muons à la fois en surface et dans des conditions souterraines. Une description détaillée des processus physiques déclenchés par le passage d'un muon à travers le détecteur est fournie. Les résultats des simulations des processus de formation du signal sont présentés et commentés pour justifier les choix du design des composants clés afin de répondre aux exigences de performance quant à résolutions temporelle, spatiale et angulaire. L'influence des paramètres opérationnels ou externes tels que le gain, la température ou la présence de contaminants est également traitée. La thèse étudie en détail les principales phases de conception et d'assemblage du détecteur MUST2, incluant (i) le design du plan de lecture Micromegas, (ii) le choix du gaz, (iii) le design d'un élément homogénéisateur de champ électrique (iv) le choix de l'instrumentation électronique et du signal de déclenchement associé au passage du muon, et (v) la création d'un système auxiliaire de gestion du gaz. La polyvalence du détecteur MUST2 a été prouvée avec l'utilisation réussie de différentes options de déclenchement et d’acquisition. Les données sont obtenues au travers d’un logiciel développé pour le système d’acquisition modulaire du CERN SRS, puis analysées avec un algorithme de reconstruction de la trajectoire, qui récupère le temps de passage, la position 2D, les angles zénith et azimut des muons qui traversent le détecteur. Les caractéristiques, les performances et les limites de la chaîne d'acquisition de données sont présentées et évaluées. Une série de directives visant à améliorer l’efficacité de la chaîne d'acquisition est proposée. Une série de tests de caractérisation a été effectuée dans différents environnements : faisceau contrôlé de muons, ciel ouvert, au fond d'une vallée et dans des conditions souterraines. Ces tests ont contribué à une meilleure compréhension des performances du détecteur et ont permis de régler ses paramètres opérationnels. Malgré les faibles statistiques des tests, les flux mesurés montrent une bonne corrélation avec les environnements ciblés. Une campagne de mesures en conditions réelles a été menée sur le barrage de Saint-Saturnin-les-Apt (Vaucluse). Les résultats expérimentaux obtenus, sont conformes aux valeurs anticipées par le modèle numérique, la transportabilité sur le terrain et la capacité à effectuer des mesures hors laboratoire à long terme ont été démontrées. En revanche, l’impact de la température externe sur l’acquisition des données devra être compensée pour obtenir une acquisition stable permettant de surveiller l’évolution temporelle du flux de muons. En conclusion, les bons résultats obtenus lors de ces tests permettent de valider la caméra MUST2 à des fins de muographie en transmission. / This thesis is dedicated towards the creation of a new direction-sensitive tool for muon flux measurement based on a thin time projection chamber with a Micromegas readout, to achieve a compact detector with an angular resolution compatible with civil engineering and geophysics imagery and monitoring applications. The main motivation is to develop a detector capable to fill the technological gap for applications with compactness and transportability constraints. The dissertation provides a review of the different existing muon detection technologies and their diverse fields of application. Two muon imaging techniques are introduced: transmission and scattering muography. Transmission muography, more suitable for big targets, is based on the attenuation of the natural-occurring cosmic-muon flux due to the opacity of the material they traverse. This non-destructive, passive technique provides original information that can be used for imaging purposes. The work covers the methodology used towards the characterization of the incidental muon flux both on the surface and in underground conditions. A detailed description of the physical processes triggered by the passage of a muon through the detector is provided. Results of the simulations of the signal formation processes are presented and discussed to justify the design choices of the key components so as to meet performance requirements in term of temporal, spatial and angular resolution. The influence of operational or external parameters such as the gain, temperature or presence of contaminants is covered as well. The thesis describes in detail the principal phases of design and assembly of the MUST2 detector, including: (i) the design of the Micromegas readout layout, (ii) the choice of gas, (iii) the conception of an electric field homogenizer, (iv) the choice of the electronics instrumentation and its trigger signal, and (v) the creation of an auxiliary system to manage the gas. The versatility of MUST2 has been proved with the successful use of different trigger options and electronics. The data is acquired by means of software developed for the CERN’s Scalable Readout System electronics and subsequently analyzed with a muon trajectory reconstruction algorithm, which retrieves the: time of passage, 2D position, zenith and azimuth angles of the muons traversing the detector. The characteristics, performance and limitations of the data acquisition chain are presented and evaluated, a series of guidelines towards the improvement of its efficiency of are provided. A series of characterization tests has been carried out in different environments: controlled muon beam, open sky, at the bottom of a valley and in underground conditions. These tests have enabled a better understanding of the performance of the detector and allowed to tune up its operational parameters. Despite the weak statistics of the test runs, the measured muon flux has shown a good correlation with the surrounding target volumes. A campaign of measurements in real field conditions has been carried out at the Saint-Saturnin-les-Apt (Vaucluse, France) dam. The experimental results obtained are in consonance with the values anticipated by the digital model, the field transportability and the capability to perform long-term out-of-lab measurements have been demonstrated. On the downside, the impact of the external temperature on the data acquisition should be balanced out to get a steady acquisition and monitor the temporal evolution of the muon flux. In conclusion, the successful proof-of-concept trial allows to validate the MUST2 camera for transmission muography purposes.

Un imageur Cherenkov, CherCam (CHERenkov CAMera), a été développé et construit pour être intégré à l'expérience CREAM (Cosmic-Ray Energetic and Mass) embarquée en ballon. Cette instrument doit permettre de mesure le charge du rayonnement cosmique nucléaire allant du protron au fer dans une gamme d'énergie s'étendant de 1E10 à 1E15 eV.<br />La thèse s'est principalement orienté sur le développement de CherCam par la création d'une simulation et de la caractérisation du plan radiateur en aérogel de silice. Mais elle s'est aussi largement étendu sur les aspects technique par la construction du détecteur et ses différents tests, ainsi que par le développement des logiciel d'étalonnage et d'analyse.