Hemispherical photomultipliers development and characterization for astroparticle experiments - Surface detector calibration and horizontal air showers analysis with the Pierre Auger Observatory
Développement et caractérisation de
photomultiplicateurs hémisphériques pour les
expériences d'astroparticules – Etalonnage des
détecteurs de surface et analyse des gerbes
horizontales de l'Observatoire Pierre Auger
Résumé
The large photomultipliers (PMT) are currently used in astroparticle and neutrino experiments
where they have to detect low levels of light. We have studied and characterised large PMTs
developed by the PHOTONIS Group Company. The first part of this thesis is dedicated to the full
characterization of two types of multipliers currently used in large PMTs. Then, we present results of a
new photocathode process, applied on the XP1805 (PMT used in the Pierre Auger Observatory) in
order to improve the quantum efficiency. Finally, we study the PMT diameter influence on main
parameters (5, 8 and 10 inches).
The second part is devoted to the study of the water Čerenkov tank (WCD) response to the shower
particules and the horizontal air showers analysis with the Pierre Auger Observatory. The main
parameters of a WCD simulation developed in the Auger IPN group were calibrated with several
measurements on vertical and inclined muons, performed on dedicated test tanks. The kind of detector
used in the surface detector allows detecting very inclined events with a good sensitivity (zenith angle
superior to 70 degrees). We have established specific methods to analyze these events (selection and
reconstruction). These methods were applied to the Auger data in order to obtain the energy spectrum
of the horizontal events. Finally, we detailed two methods to test directly the hadronic models
predictions by studying the air showers muonic component.
where they have to detect low levels of light. We have studied and characterised large PMTs
developed by the PHOTONIS Group Company. The first part of this thesis is dedicated to the full
characterization of two types of multipliers currently used in large PMTs. Then, we present results of a
new photocathode process, applied on the XP1805 (PMT used in the Pierre Auger Observatory) in
order to improve the quantum efficiency. Finally, we study the PMT diameter influence on main
parameters (5, 8 and 10 inches).
The second part is devoted to the study of the water Čerenkov tank (WCD) response to the shower
particules and the horizontal air showers analysis with the Pierre Auger Observatory. The main
parameters of a WCD simulation developed in the Auger IPN group were calibrated with several
measurements on vertical and inclined muons, performed on dedicated test tanks. The kind of detector
used in the surface detector allows detecting very inclined events with a good sensitivity (zenith angle
superior to 70 degrees). We have established specific methods to analyze these events (selection and
reconstruction). These methods were applied to the Auger data in order to obtain the energy spectrum
of the horizontal events. Finally, we detailed two methods to test directly the hadronic models
predictions by studying the air showers muonic component.
Les photomultiplicateurs sont au coeur de la plupart des expériences d'astroparticules. Dans ce
cadre, nous avons étudié et caractérisé des photomultiplicateurs (PM) hémisphériques fabriqués par la
Société Photonis. La première partie de cette thèse est consacrée à la caractérisation complète de deux
types de multiplicateurs couramment utilisés dans les PM de grande dimension. Nous montrons
ensuite les résultats obtenus avec un PM équipé d'une nouvelle photocathode développée pour
améliorer le rendement quantique. Pour finir cette partie, nous présentons les résultats sur l'évolution
des principaux paramètres des PM en fonction de la dimension (5, 8 et 10 pouces).
La deuxième partie est consacrée à l'étude de la réponse des détecteurs Čerenkov à eau du réseau
surface aux particules des gerbes et à l'analyse des gerbes horizontales avec l'Observatoire Pierre
Auger. De nombreuses mesures faites sur plusieurs détecteurs tests ont permis de mettre au point une
simulation du détecteur réaliste qui sera utilisée ensuite dans la procédure de reconstruction de
l'énergie des gerbes et de déterminer les paramètres clefs de l'étalonnage des détecteurs de surface. Le
type de détecteur choisi pour instrumenter le réseau de surface permet d'avoir une bonne sensibilité
aux événements horizontaux (angle zénithal supérieur à 70°). Nous avons mis au point des méthodes
spécifiques d'analyse pour ces événements. Cette procédure a été appliquée aux données d'Auger afin
d'obtenir le spectre en énergie des gerbes horizontales. Nous finissons cette partie en détaillant deux
méthodes pour tester directement les prédictions des modèles hadroniques en étudiant la composante
muonique des gerbes.
cadre, nous avons étudié et caractérisé des photomultiplicateurs (PM) hémisphériques fabriqués par la
Société Photonis. La première partie de cette thèse est consacrée à la caractérisation complète de deux
types de multiplicateurs couramment utilisés dans les PM de grande dimension. Nous montrons
ensuite les résultats obtenus avec un PM équipé d'une nouvelle photocathode développée pour
améliorer le rendement quantique. Pour finir cette partie, nous présentons les résultats sur l'évolution
des principaux paramètres des PM en fonction de la dimension (5, 8 et 10 pouces).
La deuxième partie est consacrée à l'étude de la réponse des détecteurs Čerenkov à eau du réseau
surface aux particules des gerbes et à l'analyse des gerbes horizontales avec l'Observatoire Pierre
Auger. De nombreuses mesures faites sur plusieurs détecteurs tests ont permis de mettre au point une
simulation du détecteur réaliste qui sera utilisée ensuite dans la procédure de reconstruction de
l'énergie des gerbes et de déterminer les paramètres clefs de l'étalonnage des détecteurs de surface. Le
type de détecteur choisi pour instrumenter le réseau de surface permet d'avoir une bonne sensibilité
aux événements horizontaux (angle zénithal supérieur à 70°). Nous avons mis au point des méthodes
spécifiques d'analyse pour ces événements. Cette procédure a été appliquée aux données d'Auger afin
d'obtenir le spectre en énergie des gerbes horizontales. Nous finissons cette partie en détaillant deux
méthodes pour tester directement les prédictions des modèles hadroniques en étudiant la composante
muonique des gerbes.
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