Ballon pathfinders for ultra-high energy cosmic ray detection from space : optics performance and search for air showers
Démonstrateurs ballon pour la détection de rayons cosmiques d'ultra haute énergie depuis l'espace : performance optique et recherche de gerbes atmosphériques
Résumé
Ultra High Energy Cosmic Rays (UHECR) are charged particles coming from outer space with energies >1018 eV up to a record measured energy of 3 × 1020 eV. They are the most energetic cosmic messengers coming to earth, however their origin and acceleration mechanisms remain a mystery. Their observation is characterized by their low flux (one particle per steradian per km2 per century) requiring indirect detection techniques using the atmosphere as a calorimeter. The JEM-EUSO framework aims at developing a space-borne telescope to observe the UHECR induced atmospheric particle cascades (air showers) through their UV fluorescence emission (300 - 400 nm). To validate JEM-EUSO's technology and methods, two balloon-borne pathfinders have been developed: EUSO-Balloon and EUSO-SPB1, they were flown in 2014 and 2017 respectively. One of the key technologies of these pathfinders is their refractive optical system consisting of two large aspherical Fresnel lenses (almost equal to 1 m2). EUSO-Balloon flew during one night and it's Fresnel optics contributed to the observation of laser tracks in the atmosphere and the measurement of the UV night-time emission. However, the performance of the optics remained misunderstood i.e. the efficiency and the point spread function. This work describes the method used to characterize the optics performance and global efficiency of the Fresnel lenses of EUSO-Balloon. The measured performance of the optics can be understood as the combination of a semi-empirical diffusion model with a classic ray tracing simulation. EUSO-SPB1 took data during 12 nights until the termination of the mission. We present an analysis of events found in triggered data while searching for air showers. We classify these events into different populations whose characteristics and origins we discuss. We show that the majority of our triggered events are direct cosmic ray interactions on the detector as well as instrumental features of the photo-multipliers. No air shower candidate was found in the analysis.
Les Rayons Cosmiques d'Ultra Haute Énergie (RCUHE) sont des particules chargées venant de l'espace avec des énergies >1018 eV jusqu'à une énergie mesurée de 3×1020 eV. Ils sont les messagers cosmiques les plus énergétiques, cependant leur origine et les mécanismes permettant leur accélération restent inconnus. Leur observation est difficile à cause de leur très faible flux (1 particule par stéradian par km2 par siècle) et nécessite des techniques de détection indirectes, utilisant l'atmosphère comme un calorimètre. Le projet JEM-EUSO a pour but le développement d'un télescope spatial capable d'observer les gerbes atmosphériques produites par les RCUHE par le biais de leur émission de fluorescence en UV (300 - 400 nm). Pour atteindre ces objectifs, deux projets ballons démonstrateurs ont été développés afin de tester la technologie et les méthodes requises: EUSO-Balloon et EUSO-SPB1, qui ont volé en 2014 et 2017 respectivement. Une technologie clé de ces démonstrateurs est leur système d'optique réfractive composé de deux larges lentilles de Fresnel (presque égal à 1 m2). EUSO-Balloon a volé pendant une nuit et son système optique a contribué à l'observation de traces de laser et la mesure du bruit de fond UV. Néanmoins, la performance des optiques est restée mal comprise, i.e. l'efficacité et sa fonction d'étalement du point (PSF). Ce travail explique la méthode utilisée pour caractériser la performance de l'optique et l'efficacité globale des lentilles de Fresnel. La performance mesurée peut être comprise par la combinaison d'un modèle de diffusion semi-empirique avec une simulation classique de tracé de rayon. EUSO-SPB1 a collecté des données pendant 12 nuits. On présente l'analyse des événements enregistrés suite au déclenchement de l'algorithme de "trigger". On classifie ces événements en différentes catégories et on discute leurs caractéristiques. On montre que la majorité des événements enregistrés sont des rayons cosmiques qui interagissent directement avec le détecteur ainsi que des défauts instrumentaux sur les tubes photomultiplicateurs du détecteur. Aucune gerbe atmosphérique n'a été trouvé dans cette analyse.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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