Published October 28, 2020 | Version v1
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Search for cosmogenic photons in the ultra high energy cosmic ray flux

Description

This thesis manuscript present two contributions to the study of ultra-high energy cosmic rays with the Pierre Auger Observatory: on one hand the assembly and characterization of scintillation detectors and on the other, the development of a new multivariate analysis for the search of ultra-high energy photons. The scintillation detectors are part of the AugerPrime project, to enhance the performances of the Pierre Auger Observatory. Scintillation detectors are being installed on top of the water Cherenkov detectors making up the surface detector of the observatory. This new system will perform a complementary measurement of the secondary particles inside the atmospheric showers, thereby increasing the capacity of the observatory to identify the nature of the cosmic rays. The LPSC has had the responsibility of assembling 90 detectors. A detailed procedure was written to ensure a continuity throughout the assembly process. Once assembled, the integrity of the detectors is controlled and the performances of each detector are evaluated. This is done by measuring the response of the detectors to a vertical through-going muon in units of photoelectrons. The measurements performed on the detectors assembled at the LPSC are presented: they are compatible with the quality criteria required by the collaboration. They are also compared to the measurements performed in the other assembly sites. The main contribution presented in this manuscript concerns the search for ultra-high energy photons. Indeed, identifying photons in the flux of ultra-high energy cosmic rays would allow a direct localization of cosmic rays sources in the nearby universe. The upper-limits on the flux of such photons, set by the previous analyses have already constrained ultra-high energy cosmic rays production scenarios, such as the so-called 'top-down' scenarios and could constrain the astrophysical scenarios of production and propagation (GZK effect). The analysis presented in this manuscript uses the signals of the water Cherenkov detectors making up the surface detector of the Pierre Auger Observatory in order to construct discriminant observables. These observables take advantage of the differences between hadronic and electromagnetic showers in terms of their muonic component ratio, and in terms of the thickness of their shower fronts. The observables are reconstructed using machine-learning models, trained on simulated events in a biased way in order to differentiate the photons from other types of cosmic rays. Finally, the discriminant observables are combined in a photon search analysis, applied to a sample of data from the Pierre Auger Observatory. The performances of such an analysis are discussed, as well as the perspectives in the framework of AugerPrime. (author)

Abstract (French)

Ce manuscrit de these presente deux contributions a l'etude des rayons cosmiques d'ultra-haute energie avec l'observatoire Pierre Auger: d'une part l'assemblage et la caracterisation de detecteurs a scintillation et d'autre part le developpement d'une nouvelle analyse multivariee pour la recherche de photons d'ultra haute energie. Les detecteurs a scintillation font partie du projet AugerPrime pour ameliorer les performances de l'Observatoire Pierre Auger. Ils doivent completer le reseau de surface de l'Observatoire actuellement compose de detecteurs cherenkov a eau. Ce nouveau systeme permettra, en effectuant une mesure complementaire des particules secondaires des gerbes atmospheriques, d'ameliorer la capacite de l'observatoire a identifier la nature des rayons cosmiques. Le LPSC a eu la charge d'assembler 90 detecteurs. Afin d'uniformiser le processus d'assemblage tout au long de la production, une procedure a ete redigee. Une fois assembles, l'integrite du fonctionnement des detecteurs est controlee et les performances de chaque detecteur sont evaluees. Pour cela, la reponse des detecteurs a un muon vertical traversant est mesuree en nombre de photoelectrons. Les mesures effectuees sur les detecteurs assembles au LPSC sont presentees et sont conformes aux criteres de qualite requis par la collaboration. Elles sont egalement comparees aux mesures effectuees dans les autres sites d'assemblage. La principale contribution presentee dans ce manuscrit concerne la recherche de photons d'ultra-haute energie. En effet, l'identification de photons dans le flux des rayons cosmiques d'ultra-haute energie permettrait de localiser directement des sources de rayons cosmiques dans l'univers proche. Les limites superieures sur le flux de tels photons obtenues par les precedentes analyses permettent d'ores et deja de contraindre les modeles de production des rayons cosmiques d'ultra haute energie, tels que les scenarios dits 'top-down' et constituent un moyen de contraindre les scenarios astrophysiques de produc- tion et de propagation (effet GZK). L'analyse presentee dans ce manuscrit utilise les signaux des detecteurs cherenkov a eau composant le detecteur de surface de l'observatoire Pierre Auger afin de construire des observables discriminantes. Celles-ci exploitent les differences entre gerbes hadroniques et gerbes electromagnetiques en terme de proportion de la composante muonique, ainsi qu'en terme d'epaisseur du front de developpement des gerbes. Les observables sont reconstruites au moyen de modeles de machine-learning, entraines sur des evenements simules de maniere biaisee afin de differencier les photons des autres types de rayons cosmiques. Enfin, les observables discriminantes sont combinees dans une analyse de recherche de photons, appliquee a un echantillon des donnees de l'observatoire Pierre Auger. Les performances d'une telle analyse sont discutees, ainsi que les perspectives dans le cadre d'AugerPrime. (auteur)

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Additional details

Additional titles

Original title (English)
Recherche de photons cosmogeniques dans le flux des rayons cosmiques d'ultra-haute energie

Publishing Information

Imprint Pagination
155 p.
Report number
FRNC-TH--12286

Optional Information

Notes
206 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses