Tomographie du Puy-de-Dôme à l’aide des muons atmosphériques

Tomographie du Puy-de-Dôme à l’aide des Tomographie du Puy-de-Dôme à l’aide des muons atmosphériquesmuons atmosphériques

Simulation des gerbes atmosphériques et du détecteur ToMuVol

Samuel BÉNÉ

1

PlanPlan

Présentation de l’expérience ToMuVol Problématique et objectifs du stage Simulation des gerbes atmosphériques Modélisation du détecteur dans GEANT4 Estimation du bruit des coïncidences accidentelles

2

ToMuVolToMuVolTOmographie MUonique des VOLcansTOmographie MUonique des VOLcans

Tomographier le Puy-de-Dôme avec les muons atmosphériques Intérêt : comprendre la structure et la formation du volcan.

Application aux volcans actifs : signaler les éruptions imminentes et prédire leur dangerosité

Trois laboratoires :• Laboratoire de Physique Corpusculaire (LPC)• Laboratoire Magmas et Volcans• Institut de Physique Nucléaire de Lyon

Partenariat entre physiciens des particules, géophysiciens, volcanologues, informaticiens et même mathématiciens !

3

Proches du P.d.D.

Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences

Contexte physiqueContexte physique

4


En première approximation : drrER

),,(),(

min

ρ(r,α,β) : densité intégrée du volcan le long du parcours du muon

Mesurer N/N0 permet d’accéder à la densité moyenne du volcan

A=0.701γ=2.715

Muons cosmiques

Détecteur

ϕ0(Eμ,α,h)

Z (verticale locale)

Y

X

ϕ(α,r(α,β))

α β

R(α,β)

min

)(),( 0

E

dEEN

GeV

E

GeV

EGeV

EA

GeVssrcmE

850

cos1.11

054.0

115

cos1.11

1

...

14.0)(

20

GeVE

dEEN1

00 )()(

Détecteur ToMuVolDétecteur ToMuVol

5

Détecteur à gaz : 4 chambres GRPC en mode C.P. qui mesurent les positions des muons dans le plan (x,y).

Système de coordonnées pour la reconstruction de trajectoires :

• Oy = verticale locale• Puy-de-Dôme à z<0


Résolution temporelle = 400 ns pour le moment Résolution angulaire = R/d = 1cm/1m=10 mrad Résolution spatiale sur le Puy-de-Dôme à 1km = 10 m

d=1m

R=1cm

10 mrad

10m

d=1km

Campagnes de mesuresCampagnes de mesures 2 sites : la grotte de la Taillerie et l’auberge du Col de Ceyssat Estimations des flux de muons mesurés :

6


Grotte Taillerie Col de Ceyssat

1 day 1 day

1 week

1 month

1 year

1 week

1 month

1 year

Flux mesuré très faible vers la base du volcan : <0.01/(jour.deg2)

Problématique et objectifsProblématique et objectifs La qualité de la tomographie dépend entre autres de :

• La connaissance du flux de muons atmosphériques incident sur le volcan

• La contamination du signal par le bruit de fond

Objectifs du stage :• Participer aux simulations informatiques des gerbes et du

détecteur• Etudier le bruit de fond dû aux coincidences accidentelles grâce à

ces simulations

7

Gerbes atmosphériquesGerbes atmosphériques

8

γπμ

π, K, p, …

ν

e+

e-γ

e+e+

e-

Rayon cosmique primaire : ~ 88% p | 10% He | 1% noyaux lourds | 1% e-/+

Collision avec un atome de l’atmosphère → hadronique inélastique

Particules secondaires énergétiques

μ

Cascades électromagnétiques et hadroniques Muons créés par :

• π+- → μ+- ʋμ (B.R. ~100%)• K+- → μ+- ʋμ (B.R. ~64%)• K0 → π+- μ+- ʋμ (B.R. ~27%)• γ → μ+μ- (très faible)


Outils de simulationOutils de simulation

CORSIKA • Développé pour la simulation des gerbes• Référence dans ce domaine

GEANT4• Utilisé dans un grand nombre d’expériences• Tout l’environnement est défini par l’utilisateur

• Polyvalence (interactions dans le volcan, le détecteur,…)

9


Précision de CORSIKA pour θ>85° pas établieSimulation des gerbes dans GEANT : OK à priori (Interactions particules/matière ≡ Calorimètres)

Simulation des gerbes, du volcan et du détecteur dans le même code GEANT4

Simulation des gerbes dans GEANT4Simulation des gerbes dans GEANT4 Simulation en cours de développement, pour le moment :

• Atmosphère : OK →1960 couches d’air, de 0 à 120km• Processus physiques : OK (jusqu’à 100 TeV) → liste QGSP_BERT

• Rayons cosmiques primaires : protons verticaux E = 1, 10, 100 TeV• Champ magnétique de la Terre à inclure

En sortie : informations sur le flux de particules à z=870m

Objectif : validation de GEANT4 pour la simulation de gerbes atmosphériques à haute energie

10


γ→μ+μ- manquant : ajouté au cours du stage

• Comparaison des profils spatiaux-temporels et en énergie des muons à z=870m

• Données CORSIKA de référence à partir d’un spectre de R.C.• Gerbes sélectionnées pour les comparaisons :

• Coupure Eμ>10GeV pour négliger les effets du champ magnétique terrestre

Comparaisons avec CORSIKAComparaisons avec CORSIKA

11


10°

Protons 0.9EG4<ECORSIKA<1.1EG4

ΘCORSIKA<10°

CORSIKA GEANT4

ProtonsEG4=1,10,100 TeVΘG4=0°

atmosphère


12


Distributions latérales : r = distance par rapport à la position moyenne des muons de chaque gerbe dans le plan z=870m

Eμ>10GeV

Bon accord entre GEANT4 et CORSIKA

r2 (m2) r2 (m2)

N/N

tot

N/N

tot


13


Distributions en énergie des muons

Bon accord entre GEANT4 et CORSIKA

Eμ>10GeV

N/N

tot

N/N

tot

E(GeV) E(GeV)


14


Distributions temporelles : t = temps d’arrivée des muons dans le plan 870m par rapport au temps moyen des muons dans chaque gerbe

Différences significatives → à investiguer

Eμ>10GeV

N/N

tot

N/N

tot

t (ns) t (ns)

Origine des muons dans GEANT4Origine des muons dans GEANT4

15

Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidencesN

/ge

rbe

N/g

erb

e

t (ns) t (ns)

Coïncidences accidentellesCoïncidences accidentelles

16

Gerbe atmosphérique

Plusieurs particules peuvent traverser les plans de détection en coïncidence spatio-temporelle :

Reconstruction d’une “fausse” trace Source principale de bruit de fond pour la tomographie


Simulation d’un flux réaliste de R.C. + détecteurSimulation d’un flux réaliste de R.C. + détecteur

17

• Protons + He• 10GeV<E<4000TeV• 0<θ<85°• 0<φ<360°

CORSIKA

GEANT4

Gerbes CORSIKA au niveau z=870m tirées une par une sur le détecteur dans GEANT4

Z=120kmZ=870m


Modélisation du détecteurModélisation du détecteur

18


Détecteur ToMuVol tel qu’il est simulé dans GEANT4 :

4 plans de 1m2, 28.5cm d’espacement

28.5cm

Mylar - Graphite - Verre

Verre - Graphite - Mylar Cuivre + PCB + Electronique

Surface élémentaire de détection : blocs de cuivre de 1 cm2 “Sensitive Detector” dans G4

96 x

Freon +SF6+isobutane ~2 a 5%

Reconstruction de tracesReconstruction de traces

19


Event GEANT4Collection de coups

Recherche du coup de plus haute energie déposée dans chaque chambre touchée → position et temps pour chaque coup Etalement Gaussien de la position pour reproduire la multiplicité expérimentale pour les traces de muons (1,3 blocs)

Au moins deux chambres touchées dans une fenêtre de 400 ns ?

Reconstruction de la trace (moindres carrés)

→point d’impact et pente (ax,ay)

Reconstruction des vraies tracesReconstruction des vraies traces

20


muon

Bon accord avec les distributions théoriques

Reconstruction des vraies tracesReconstruction des vraies traces

21


Traces reconstruites Traces reconstruites à partir des coincidences partir des coincidences accidentellesaccidentelles

22


Taux de réjection des coïncidencesTaux de réjection des coïncidences

23


Résolution du détecteur ToMuVol : 1cmx1cm à comparer avec 10cmx10cm (Tanaka)

Meilleure réjection des coïncidencescoïncidences

95% C.L.

Conclusions et perspectivesConclusions et perspectives

24

Les gerbes verticales produites avec GEANT4 ont pu être comparées avec les resultats CORSIKA, du point de vue des muons, à z=870m :

• Bon accord sur les distributions latérales et en énergie • Divergence sur les distributions temporelles

Une première estimation du bruit de fond dû aux coïncidences accidentelles a été realisée, grâce à la modélisation du détecteur dans GEANT4.

• Le choix de 4 plans de detection est confirmé

La génération d’un flux réaliste de muons cosmiques, incluant les gerbes horizontale, peut être directement realisée dans GEANT4

Utilisation d’un logiciel spécialisé pour l’interaction primaire ?

Documents

Tomographie du Puy-de-Dôme à l’aide des muons atmosphériques