Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 20081 CODALEMA Lexpérience CODALEMA à Nançay Didier Charrier et Lilian Martin Subatech, CNRS/Université

Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008 1

CODALEMACODALEMA

L’expérience CODALEMA à NançayDidier Charrier et Lilian Martin

Subatech, CNRS/Université de Nantes/ École des Mines de Nantes


Les groupes de rechercheLes groupes de recherche

• SUBATECH Nantes (IN2P3, 2002)

• LESIA - Observatoire de Paris-Meudon - Station de Radioastronomie de Nançay (INSU,2002)

• Laboratoire de l’Accélérateur Linéaire Orsay (IN2P3, 2004)

• École Supérieure d’Électronique de l’Ouest Angers (2004)

• Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie Grenoble (IN2P3, 2005)

• Laboratoire d’Astrophysique de l’Observatoire de Besançon (INSU, 2006)

• Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement Orléans (INSU, 2006)


Champs d’investigation de CODALEMAChamps d’investigation de CODALEMA

• Problématique principale : l’étude des rayons cosmiques d’ultra haute énergie.– Flux, Énergie, limite en

énergie ?

– Nature : proton, noyau ?

– Distribution dans le ciel : isotropie, sources ?

– Origines, Mécanismes de production et de propagation.

Galactique

Solaire

Confuse ouinconnue

LHC@CERN

Détection

directe


Développement d’une gerbeDéveloppement d’une gerbe

Maximo Ave, Dinoj Surendran, Tokonatsu Yamamoto, Randy Landsberg, and Mark SubbaRao created the following visualizations of showers created using Sergio Sciutto's AIRES package. http://astro.uchicago.edu/cosmus/projects/aires/

Proton de 1 TeV (1012 eV) au dessus de Chicago

5 x 5 x 20 km3


Développement de la gerbeDéveloppement de la gerbe

• Quelques ordres de grandeur à 1019eV– Énergie : 5.1019eV équivalent à 10 Joules soit

2g à 350km/h.– Flux : 1 événement par 50 km² et par an.

Surface de détection de 1000 km² – Densité : entre 10 et 100 milliards de particules

au sol.– Taille : empreinte de 20 km² (1 part/m² à 1.5

km de l’axe de la gerbe)


Techniques de détectionTechniques de détection

• Une cascade de créations, désintégrations et annihilations de particules a lieu produisant un nombre très important de particules secondaires : détection et comptage des particules au sol.

• Excès de charges négatives en mouvement et effets géoma-gnétiques sur les paires produites : induction d’un champ électrique.


Objectifs de CODALEMAObjectifs de CODALEMA

• Développer et mettre au point une technique alternative aux mesures « particules »– Caractériser et quantifier l’émission radio associée à la

gerbe : amplitude, extension, polarisation…

– Corréler ces mesures aux informations extraites des détecteurs particules et donc à la gerbe et son rayon cosmique primaire

– Concevoir et implanter un démonstrateur d’un réseau couvrant de l’ordre d’un km² : antenne, station autonome, centre de traitement des données…

• Mesures impulsionnelles dans d’autres domaines


Le réseau déployé à Nançay (Janv. 2008)Le réseau déployé à Nançay (Janv. 2008)


Les instruments installésLes instruments installés

Station scintillateur

Dipôle actif



Dipôle actif

Instruments complètement câblés jusqu’au conteneur d’acquisition



Dans le conteneur

PC d’acquisition

Cartes de digitalisation (lecture par GPIB)

Modules de déclenchement


Les prises de donnéesLes prises de données

• Détecteurs « particules » :– 17 stations de scintillateur

plastique (~1m²)

– 5 stations centrales dans le système de trigger

• Reconstruction des information sur la gerbe– Direction d’arrivée par

triangulation

– Énergie par les amplitudes mesurées

• Antennes :– 24 dipôles actifs large bande

– Échantillonnage à 1 GS/s sur 12 bits et 2.5 s

– Utilisation en esclave (pour l’instant)

• Déclenchement :– Multiplicité minimum 5

– Taux de trigger : 8 evts/heure

• Acquisition sous LabView


La démarche expérimentaleLa démarche expérimentale

•Simulation théorique: Informations contenues dans la forme du signal

•Amplitude (>1V/m) => énergie

•Durée (~100 ns) => paramètre d’impact (b)

•Forme d’onde => nature des particules

•Mesures expérimentales:•Evts rares (trigger~10-3 Hz)

•Analyse temporelle du signal => Reconstitution de la trajectoire par triangulation entre plusieurs antennes

•Analyse de l’amplitude =>Extraction de l’énergie du primaire

b

Ant.

Trajectoire gerbe


Pleine bande

Nançay 1-120 MHzNançay 1-120 MHz

Forme attendue du Forme attendue du spectre spectre d’une gerbed’une gerbe

Bande filtrée

Datation: t

Bruit :

Seuil : n.

Tagging en temps et amplitudeTagging en temps et amplitude

Technique de détection des transitoiresTechnique de détection des transitoires


Analyse d’événement : signaux en tempsAnalyse d’événement : signaux en tempsE~10E~101818eVeV

23-130 MHz23-130 MHzNord

Sud Ouest

Est


Analyse d’événements : spectres en fréquenceAnalyse d’événements : spectres en fréquenceNord

Sud

Ouest

Est


Analyse d’événements : profil latéralAnalyse d’événements : profil latéral


La reconstruction de la direction d’arrivée des gerbes La reconstruction de la direction d’arrivée des gerbes atmosphériques est confirmée par la détection radio atmosphériques est confirmée par la détection radio

sin(sin().Gaussia).Gaussiann

= 4°= 4°

““Antennas” direction – “Particles” Antennas” direction – “Particles” directiondirection

Corrélation des directions d’arrivée Corrélation des directions d’arrivée


Asymétrie des directions d’arrivéeAsymétrie des directions d’arrivée

Reconstruction « particules »Reconstruction « antennes »

Il manque des événements au Sud


PerspectivesPerspectives

• Encore beaucoup de zones à défricher :– Corrélation Énergie et champ électrique– Comprendre l’asymétrie Nord-Sud dans les

taux de comptage– Mesurer et caractériser les autres polarisations

• (Re)-Installer un trigger radio en parallèle– Caractériser l’environnement radio– Déterminer finement des coupures en fréquence

pour le trigger – Préparer le déploiement d’antennes autonomes


Transparents supplémentairesTransparents supplémentaires


Origine & nature des cosmiquesOrigine & nature des cosmiques

Bottom - Up

Accélération par un phénomène astrophysique(ex : mécanisme de Fermi)Composition: p, Fe,…

Diagramme d’Hillas

Désintégration ou annihilationd’une particule “X” (défauts topologiques, Particule, relique du Big Bang …)

Top - Down

distribution dans le ciel(ciel isotrope? sources ?)

E Z BL


Champ loin de l’axe de la gerbe (~km):Coulombien + courant dipôle- impulsions lentes (> 100 ns)

Champ proche de l’axe de la gerbe (~100 m): Cerenkov + synchrotron + variation de charge - impulsions rapides (~10 ns)

-

Identifiés en 1970• Excès de charge ~ 10% e- /e+

-+

• Effet géomagnétique F=qVxBmoment dipolaire

-+

Courant transverse d’alimentation du dipôle

Emission Synchrotron• Ve > c

Emission Cerenkov

Le champ électrique des gerbesLe champ électrique des gerbes


Potentialité de l’approche « formes d’ondes »Potentialité de l’approche « formes d’ondes »

• L’analyse simultanée de toutes les informations• Analyse de la forme d’onde: Amplitude, Spectre

en fréquence, forme du transitoire– Numériseurs jusqu’à 2 GS/s facilement disponibles.

(actuellement jusqu’à 8 GS/s & 128 MPoints)– Analyse par TF

• Signature du transitoire signal: composantes larges bandes• Méthode on/off instantanée• Fit du spectre de fréquence => par ITF=> forme d’onde

– Autres Méthodes• Filtre LPC • Ondelettes

• => Mécanismes d’émission => physique de la source


Impulsion => Signal à durée finiex(t)=t.exp(-t/tau)

=> spectre large bande

Filtre 0.5-5MHzForme du transitoirebeaucoup de puissance

=> énergieFiltre 35-65MHz

front de montéepeu de puissance

=> information temporelle

x10

Mais le signal réel est dans du bruit: capteur, RFI, signal galactique, etc…

Recherche des impulsionsRecherche des impulsions


+ Wavelet analysis for time tagging+ Wavelet analysis for time tagging

Signal Signal

(noise+ pulse) (noise+ pulse)

RemainingRemaining

signalsignal

Better than FFT Better than FFT

shape analysisshape analysis

time resolution ~nstime resolution ~ns

Extraction via LExtraction via Linear inear PPredictive redictive CCoeficientsoeficients (Adaptative optimal filtering)(Adaptative optimal filtering)

Waveform Recovery at large BandWaveform Recovery at large Band


Triangulation performances (1) Triangulation performances (1)

DAM sun survey 15/01/05 &

02/06/06

Standard deviation of received power versus time

Solar flair

Normal day

NightNight

solar flare in active region AR10720 on 2005 Jan. 15


Triangulation performances (2)Triangulation performances (2)

ITrigger

IG11

ID98

ID32 IA1

Principle of the triangulation

Reconstructed directions versus

sun ephemerids

Direction accuracy

= 0.74 °

Distribution of the Residues


Sources en radio : un environnement chargéSources en radio : un environnement chargé

des sourcesstatiques diffuses où ponctuelles

des sourcesclairement en mouvement

des sourcesplus difficile à caractériser

Front d’onde plan reconstruit à partir des signaux antennes

Trigger radio


Sources radio : un environnement variéSources radio : un environnement varié

Des taux de trigger et des durées d’émission variés dans le temps


Sources radio : un environnement à préciserSources radio : un environnement à préciser

Une triangulation possible (onde sphérique)Des formes d’onde atypiques et variées


Des spectres variablesDes spectres variables

Ondes courtes en AM

Évolution du spectre en fréquenceà basse fréquence en fonction du temps

MinuitMidi


Émission radio induiteÉmission radio induite

• Une cascade de création, désintégration et annihilation de particules a lieu et produit un nombre très important de particules secondaires dont certains atteignent le sol.

• Création de lumière Tcherenkov le long de la trajectoire de la gerbe.

• Phénomène de fluorescence avec l’azote de l’atmosphère.


Objectifs de CODALEMAObjectifs de CODALEMA

• Investiguer les possibilités de mesures impulsionnelles dans d’autres domaines– Astroparticules, astronomie (neutrinos, pulsar,

…)– Physique de l’atmosphère (orage, elfe, sprite,

blue jet, X ray flash,…)– Détection des signaux anthropiques (avion,…)

Documents

Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 20081 CODALEMA Lexpérience CODALEMA à Nançay Didier Charrier et Lilian Martin Subatech, CNRS/Université