Étude multi-messagers et phénoménologie des sources de rayons cosmiques d'ultra-haute énergie : l'éclairage de l'Observatoire Pierre Auger - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2010

Multi-messenger study and phenomenology of sources of ultra-high energy cosmic rays : the contribution of the Pierre Auger Observatory

Étude multi-messagers et phénoménologie des sources de rayons cosmiques d'ultra-haute énergie : l'éclairage de l'Observatoire Pierre Auger

Guillaume Decerprit
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 928528

Résumé

The field of Ultra-High Energy Cosmic Rays (UHECRs) is full of puzzling mysteries. The present state of the field is first outlined, as well as the contribution and prospects brought in by the Pierre Auger Observatory. The latter actually provided physicists with several key results : the measurement of the energy spectrum above a few EeV and the high-energy cutoff at a high significance level, the measurement of composition-sensitive variables that indicate the UHECRs are getting heavier with energy (though we can not rule out that it might be due to a significant modification of the hadronic physics around 100 TeV scale), and the measurement of a weak anisotropy signal except in a small region of the sky where an excess of events is observed, centered on an important source that might not being involved in this excess, Centaurus A. The second part of the thesis deals with UHECRs propagation in the extra-galactic medium and originating from their source. We study the implications of the composition at the sources and the acceleration parameters on the shape of propagated spectra at the Earth. We demonstrate the feasibility of an astrophysical model, the so-called low-Emax scenario, that fits both the spectrum and composition. A numerical code embedding protons and nuclei propagation, including magnetic fields, is also detailed in this section. In the fourth part, we present an independent study of the constraints brought in by the angular data of Auger on the effective density of UHECRs sources and the typical magnetic deflections they undergo. A percolation tool used to perform a direct data analysis (isotropy test) and demonstrating the weak anisotropy signal, is also presented. A whole part of the thesis is dedicated to a critical secondary particle : the photon. We discuss its extra-galactic propagation and its related numerical tool that was entirely developed during the thesis and incorporated in the existing proton/nuclei code. This leads to a global numerical tool, truly multi-messengers oriented (neutrinos are considered) and comprehensive, that allows us to build a global concordance model, able to fit the entire set of available constraints, including today's experimental upper limits on the diffusive photon flux at TeV scales (Fermi/LAT). This concordance model is addressed in the last chapter. We will conclude with the future prospects possibly opened from a global model of the UHECRs.
La thématique des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie (RCUHEs) est riche de mystères. Nous présentons l'état actuel des connaissances générales sur le sujet, ainsi que les apports et possibilités offerts par l'Observatoire Pierre Auger. Celui-ci nous a apporté plusieurs résultats majeurs dans le domaine : la mesure du spectre d'énergie au delà de quelques EeV et de la coupure à haute énergie avec une grande significativité, la mesure d'observables sensibles à la composition qui montrent un alourdissement avec l'énergie (ou une modification significative de la physique hadronique à la centaine de TeV !), et la mesure d'une anisotropie faible en dehors d'une région centrée sur une source remarquable mais pas forcément concernée, Centaurus~A. Dans la seconde partie de cette thèse, on étudie la propagation des RCUHEs depuis leur source dans le milieu extra-galactique. On étudie l'influence de la composition aux sources et des paramètres de l'accélération sur la forme des spectres à la Terre. On démontre la viabilité d'un modèle astrophysique satisfaisant, dit low-$E_{max}$, qui s'ajuste bien aux données du spectre et de la composition. Un outil numérique de propagation de protons/noyaux, notamment en présence de champs magnétiques, est également présenté dans ce cadre. Nous présenterons aussi (en quatrième partie) une étude indépendante des contraintes apportées par les données angulaires d'Auger sur la densité effective des sources de RCUHEs et leur déflexion dans les champs magnétiques. Une analyse des données par la méthode de percolation est également présentée, et démontre la faible anisotropie des données. Une partie entière est dédiée à la phénoménologie d'un messager secondaire : les photons. On expose leur propagation extra-galactique et l'outil numérique entièrement développé à ce sujet, que l'on intègre dans l'outil existant de propagation de protons/noyaux. Cette intégration aboutit à un code numérique global, véritablement multi-messagers (les neutrinos sont également traités), qui nous permet de disposer d'un outil complet, nous autorisant à fonder un modèle global de concordance capable de satisfaire l'ensemble des contraintes actuelles, dont les limites expérimentales connues sur le flux diffus de photons au TeV (par Fermi/LAT). Celui-ci est discuté dans le dernier chapitre. Nous terminons sur les perspectives offertes par la construction d'un modèle global de RCUHEs.
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Dates et versions

tel-00550847 , version 1 (31-12-2010)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00550847 , version 1

Citer

Guillaume Decerprit. Étude multi-messagers et phénoménologie des sources de rayons cosmiques d'ultra-haute énergie : l'éclairage de l'Observatoire Pierre Auger. Cosmologie et astrophysique extra-galactique [astro-ph.CO]. Université Paris-Diderot - Paris VII, 2010. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00550847⟩
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