Published October 27, 2023 | Version v1
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Identification of UHE photons for multi-messengers astronomy with universality at the Pierre Auger Observatory

Description

Neutrinos, cosmic rays, photons of ultra high energy as well as gravitational waves provide complementary information to study the most energetic objects in the universe, allowing therefore the development of multi-messengers astronomy. The Pierre Auger Observatory is the current experiment studying cosmic rays at the highest energies and searching for the most energetic neutrinos and photons. The aim of the thesis work presented in this manuscript is to develop an efficient search of ultra high energy photons in the Auger data, by building a discriminating analysis based on a reconstruction method using the universality of extensive air showers. The observables used are obtained only from the surface detectors (SD) of the Observatory. The universality principle states that the average properties of air showers can be described by a small set of macroscopic parameters describing the air showers. A model predicting the signals in the detectors of the SD was developed by the collaboration. Thus, using this model, the maximum depth of the shower development, an observable not directly accessible with the SD, is reconstructed using the method developed in this thesis work. This observable allows to discriminate between photon-induced air showers and showers initiated by hadrons. The shower maximum being reconstructed, it is combined with two other variables describing the air showers, and they are implemented in a discriminating analysis. To begin with, the different steps of the analysis are developed and optimised on simulations of photon-induced and proton-induced showers. Then, its efficiency is studied on a sample of data detected by the Observatory and the results are compared to the current SD search for UHE photons. (author)

Abstract (French)

Les neutrinos, les rayons cosmiques charges, et les photons de tres haute energie ainsi que les ondes gravitationnelles fournissent des informations complementaires pour etudier les objets les plus energetiques de l'Univers, permettant ainsi le developpement de l'astronomie multi-messagers. L'Observatoire Pierre Auger est l'experience phare qui etudie les rayons cosmiques a ultrahaute energie et recherche les neutrinos et photons les plus energetiques. L'objectif du travail de these presente dans ce manuscrit est de developper une recherche performante de photons d'ultra-haute energie dans les donnees Auger, en concevant une analyse discriminante de qualite basee sur une methode de reconstruction des gerbes atmospheriques en exploitant le principe d'universalite. Les observables utlisees pour la reconstruction proviennent uniquement des detecteurs de surface de l'Observatoire (SD). Ce principe d'universalite implique que les proprietes moyennes d'une gerbe atmospherique peuvent etre decrites avec un nombre reduit de parametres macroscopiques decrivant ces gerbes. Un modele predisant les sigaux dans les detecteurs du SD, et base sur ce principe, a ete developpe dans la collaboration. Ainsi, en utilisant ce modele, le maximum de developpement des gerbes, une observable qui n'est pas directement accessible avec le SD, est reconstruit grace a la methode developpee dans ces travaux de these. Cette observable permet de separer les gerbes initiees par des photons de celles issues de hadrons. Le maximum de developpement de la gerbe ainsi reconstruit, il est combine a deux autres variables caracterisant la gerbe pour etre introduit dans une analyse discrimante. Dans un premier temps, les differentes etapes de l'analyse sont developpees et optimisees sur des simulations de gerbes initiees par des photons et des protons. Finalement, ses performances sont etudiees sur un echantillon de gerbes detectees a l'Observatoire Pierre Auger et les resultats sont compares a la recherche de photons UHE actuelle faite au sein de l'Observatoire. (auteur)

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Original title (English)
Identification de photons UHE dans le cadre de l'astronomie multimessagers avec l'universalite a l'Observatoire Pierre Auger

Publishing Information

Imprint Pagination
145 p.
Report number
FRNC-TH--15742

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