Thèse Alain Romeyer 2003

Université Paris VII – Denis Diderot UFR de Physique THESE présentée par Alain Romeyer pour l’obtention du titre de docteur de l’Université Paris VII spécialité : Champs, Particules, Matières Etude de la sensibilité du détecteur ANTARES à un flux diffus de neutrinos cosmiques de haute énergie Soutenue le 30 avril 2003, devant le jury composé de MM. P. Binétruy (président) A. Falvard (rapporteur) J. Paul (rapporteur) Y. Sacquin (directeur de thèse) M. Spiro T. Stolarczyk Service de Physique des Particules CEA Saclay - DSM/DAPNIA A. Romeyer Remerciements Remerciements Je souhaite remercier Pascal Debu et Bruno Mansoulié, chefs de service, et Georges Cozzika, adjoint au chef de service, pour leurs accueils au sein du Service de Physique des Particules. Je souhaite éga- lement remercier Yves Sacquin, mon directeur de thèse, pour m'avoir offert la possibilité de préparer ce doctorat. Je tiens à remercier tout particulièrement Thierry Stolarczyk et Luciano Moscoso avec lesquelles j'ai continuellement interagi et qui m'ont permis de réaliser ce travail dans les meilleures conditions. J'adresse également toute ma gratitude aux membres du jury, notamment à Pierre Binétruy pour avoir bien voulu en prendre la présidence, ainsi qu’à Jacques Paul et Alain Falvard pour avoir accepté d'être mes rapporteurs. Merci à Michel Spiro pour l’intérêt qu’il porte à mon travail. Je voudrais aussi remercier l'ensemble de l'équipe ANTARES du SPP qui a toujours été présente et disponible pour m'aider. J'adresse également mes plus vifs remerciements à Antoine Kouchner, qui nous avait quittés à la fin de sa thèse et que je retrouve avec plaisir en temps que membre de l'APC ; à Sébastien Saouter et Fabrice Jouvenot, dont les dates de soutenance se rapprochent à grand pas même s'ils ne s'en rendent pas encore compte ; à Sotiris Loucatos, Nathalie Palanque-Delabrouille, Dick Hubbard, Bertrand Vallage et à toutes les personnes avec qui j’ai collaboré durant ces trois années. Je salue également tous les membres du projet ANTARES pour la bonne ambiance qu'ils ont su créer et leur disponibilité. Je remercie plus particulièrement les membres du groupe de travail astrophysique et plus spécifiquement Teresa Montarulli, Aart Heijboer et Juan de Dios Zornoza avec qui j’ai partagé de bons moments tant de détente que de travail. Enfin, je souhaite remercier toutes les personnes qui m’ont soutenu durant cette thèse, notamment mes parents et Christel. A. Romeyer Table des matières Table des Matières TABLE DES MATIERES .........................................................................................................5 A. INTRODUCTION ...........................................................................................................9 B. ASTRONOMIE NEUTRINO ........................................................................................11 B.1 Aperçu historique.................................................................................................................... 11 B.1.1 L’astronomie photonique.................................................................................................. 11 B.1.2 Les rayons cosmiques........................................................................................................ 13 B.2 Les questions soulevées par les observations ........................................................................ 15 B.3 Intérêt du neutrino et processus de production.................................................................... 17 B.4 Les sources potentielles de neutrinos..................................................................................... 19 B.4.1 Interaction des rayons cosmiques avec la matière galactique ........................................... 19 B.4.2 Les supernovæ................................................................................................................... 20 B.4.3 Les systèmes binaires ........................................................................................................ 21 B.4.4 Les noyaux actifs de galaxies............................................................................................ 21 B.4.5 Les microquasars............................................................................................................... 24 B.4.6 Les sources exotiques.... 24 B.5 Contraintes pour atteindre les énergies extrêmes ................................................................ 25 C. LES TELESCOPES A NEUTRINOS...........................................................................27 C.1 Principe de détection............................................................................................................... 27 C.1.1 Interaction des neutrinos avec la matière .......................................................................... 27 C.1.2 Propagation des muons...................................................................................................... 30 C.1.3 Détection des muons ......................................................................................................... 32 C.1.3.1 Effet Tcherenkov....................................................................................................... 32 C.1.3.2 Surface effective et estimation du nombre d’événements attendus........................... 34 C.1.4 Les bruits de fond « physiques » ....................................................................................... 35 C.1.4.1 Les muons atmosphériques........................................................................................36 C.1.4.2 Les muons induits par l’interaction des neutrinos atmosphériques........................... C.2 Le détecteur ANTARES ......................................................................................................... 36 C.2.1 Les lignes........................................................................................................................... 37 C.2.2 Les modules optiques ........................................................................................................ 39 C.2.3 La numérisation des signaux, l’ARS................................................................................. 40 C.2.4 Le suivi du positionnement ............................................................................................... 41 C.3 Le programme de recherche et développement.................................................................... 42 C.3.1 Implantation géographique................................................................................................ 42 C.3.2 Les propriétés optiques de l’eau........................................................................................ 43 C.3.3 La bio-salissure......... 45 C.3.4 Le bruit de fond optique .................................................................................................... 46 C.3.5 Les lignes 4 et 5................................................................................................................. 47 A. Romeyer Table des matières C.4 Les autres projets .................................................................................................................... 49 C.4.1 Expériences en cours......................................................................................................... 49 C.4.1.1 Baïkal......................................................................................................................... 49 C.4.1.2 AMANDA................................................................................................................. 50 C.4.2 Comparaison entre les différents détecteurs...................................................................... 51 3C.4.3 Les projets de détecteur km .............................................................................................. 53 D. LA GENERATION ET LA RECONSTRUCTION DES EVENEMENTS ......................57 D.1 Les outils de simulation........................................................................................................... 57 D.1.1 Génération des événements ............................................................................................... 58 Génération des événements liés à un flux de neutrinos............................................................. 58 Le bruit de fond des muons atmosphériques ............................................................................. 59 D.1.2 Propagation des muons dans la canette et effet Tcherenkov ............................................. 59 D.1.2.1 Simulation du bruit de fond optique.......................................................................... 59 D.1.2.2 Simulation des modules optiques .............................................................................. 60 D.1.3 Les bruits de fond physiques ............................................................................................. 62 D.1.3.1 Les muons atmosphériques........................................................................................62 D.1.3.2 Les neutrinos atmosphériques ................................................................................... 63 D.2 Définition d’une trace et des quantités utilisées par la reconstruction............................... 67 D.3 Sélection des impulsions.......................................................................................................... 69 D.3.1 Sélection des impulsions en coïncidence .......................................................................... 69 D.3.2 pulsions dans une fenêtre temporelle et spatiale ..................................... 70 D.3.3 Filtre de causalité............................................................................................................... 70 D.4 Description d