Study of cosmic rays by Auger and LHAASO : R&D and Data Analysis of AugerPrime and simulations for LHAASO / Zizhao Zong ; sous la direction de Tiina Suomijärvi

Date :

Type : Livre / Book

Type : Thèse / Thesis

Langue / Language : anglais / English

Rayonnement cosmique

Čerenkov, Détecteurs de

Scintillateurs

Suomijärvi, Tiina (19..-....) (Directeur de thèse / thesis advisor)

Ansari Foumani, Mohammed Reza (1962-....) (Président du jury de soutenance / praeses)

Cao, Zhen (Rapporteur de la thèse / thesis reporter)

Montanet, François (1956-....) (Rapporteur de la thèse / thesis reporter)

Martineau-Huynh, Olivier (Membre du jury / opponent)

Hull, Giulia (Membre du jury / opponent)

Université Paris-Saclay (2015-2019) (Organisme de soutenance / degree-grantor)

École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....) (Ecole doctorale associée à la thèse / doctoral school)

Institut de physique nucléaire (Orsay, Essonne ; 1956-2019) (Laboratoire associé à la thèse / thesis associated laboratory)

Université Paris-Sud (1970-2019) (Autre partenaire associé à la thèse / thesis associated third party)

Résumé / Abstract : Les rayons cosmiques sont des particules chargées, ainsi que des coproduits comme les photons et les neutrinos, issus de sources de rayons cosmiques galactiques ou extragalactiques. Ils arrivent au sommet de l'atmosphère terrestre avec des énergies primaires allant jusqu'à quelques 10 EeV. Lorsque les rayons cosmiques entrent dans l'atmosphère, ils interagissent avec les molécules de l'air et produisent un grand nombre de particules secondaires, créant une gerbe atmosphérique (extensive air shower, EAS). Accompagné des particules secondaires, une émission de la lumière Cherenkov et de la lumière fluorescence est induite par le passage des particules dans l'atmosphère. L'Observatoire Pierre Auger et Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) sont des observatoires dédiés à la détection des gerbes atmosphériques dans le but de répondre aux questions ouvertes concernant les rayons cosmiques, mais se concentrant sur différentes gammes d'énergie, les plus hautes énergies et les énergies autour de quelques PeV. Après plus de 10 ans d'exploitation de l'Observatoire Pierre Auger, la collaboration Auger a proposé une amélioration des détecteurs de son réseau de surface, appelée "AugerPrime". Le but est d'augmenter la sensibilité à la masse des particules primaires en ajoutant un détecteur scintillateur sur le détecteur Cherenkov à eau. Les deux observatoires sont dits «hybrides» car composés de télescopes optiques observant le développement longitudinal des gerbes et des réseaux de détecteurs de surface échantillonnant leurs profils latéraux. Dans cette thèse, une série d'études contribuant aux projets AugerPrime et LHAASO sont présentées. En ce qui concerne le projet AugerPrime, la présente étude comprend le travail de recherche & développement des scintillateurs et l'analyse de données du réseau de tester. Pour le projet LHAASO, des simulations de télescopes Cherenkov et une analyse multivariée des observations hybrides pour l'identification des masses primaires sont présentées.

Résumé / Abstract : Cosmic rays are charged particles, as well as coproducts like photons and neutrinos, originated in cosmic-ray sources inside or outside the Galaxy. They arrive at the top of the Earth's atmosphere with primary energies of up to a few 10 EeV. When the cosmic rays enter the atmosphere, they interact with the molecules in the air and produce a large number of secondary particles, creating an extensive air shower (EAS). The ground-based observation of the EAS can be used to deduce the energy, the arrival direction, and the mass composition of cosmic rays. The Pierre Auger Observatory and the Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) are both EAS observatories aiming at solving open questions of cosmic-ray studies but focusing on different energy ranges, the highest-energy and the so-called knee (around few PeV) regions. Based on the experience gained during the operation of the Pierre Auger Observatory for more than 10 years, the Auger collaboration has proposed an upgrade project, called ''AugerPrime'', with the aim of increasing the sensitivity of the surface detector array to the primary mass of cosmic rays. Both observatories employ the so-called ''hybrid detector arrays'' composed of optical telescopes overlooking the longitudinal development and ground detector arrays sampling the signal densities in the lateral direction of the EAS. The ground detector arrays of both observatories are being constructed or upgraded to have various types of particle detectors (scintillator and water-Cherenkov detectors), which allow us to decompose the electromagnetic and muonic components of the EAS. In this thesis, a series of studies contributing to the AugerPrime and LHAASO projects are presented. Concerning the AugerPrime project, the present study includes R&D work of the scintillator detector and data analysis of the engineering array. For the LHAASO project, simulations of the wide field of view Cherenkov telescope array and a multivariate analysis of LHAASO-hybrid observations for the primary mass identification are presented.