Nghiên cứu mưa rào khí quyển năng lượng siêu cao - Auger - Phạm Thị Tuyết Nhung

Luận văn thạc sĩ phân tích mưa rào khí quyển năng lượng siêu cao qua dữ liệu hệ đo bề mặt đài quan sát Pierre Auger.

• Tác giả: Pham Thi Tuyet Nhung
• Trường học: Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật lý hạt nhân nguyên tử
• Đề tài: Nghiên cứu mưa rào khí quyển năng lượng siêu cao sử dụng hệ đo bề mặt của Đài quan sát Pierre Auger
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2009
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khám phá Bí ẩn Tổng quan về Nghiên cứu Mưa rào Khí quyển Năng lượng Siêu cao

Trong lĩnh vực vật lý hạt và vật lý thiên văn, việc giải mã nguồn gốc và bản chất của các tia vũ trụ năng lượng siêu cao (UHECR) là một trong những thách thức lớn nhất. Các hạt này mang năng lượng lớn đến mức không thể tái tạo trong các phòng thí nghiệm trên Trái Đất, tạo ra "mưa rào khí quyển" khi va chạm với khí quyển Trái Đất. Việc nghiên cứu mưa rào khí quyển năng lượng siêu cao Đài quan sát Pierre Auger là chìa khóa để hiểu rõ hơn về các hiện tượng vật lý cực đoan trong vũ trụ. Luận văn thạc sĩ về chủ đề này không chỉ đóng góp vào sự hiểu biết khoa học mà còn mở ra những hướng nghiên cứu mới về cơ chế gia tốc hạt vũ trụ. Đài quan sát Pierre Auger (PAO) là cơ sở lớn nhất thế giới được thiết kế để phát hiện và nghiên cứu các tia vũ trụ này, cung cấp một lượng lớn dữ liệu quý giá. Mục tiêu chính của luận văn là phân tích dữ liệu từ hệ đo bề mặt (SD) của PAO để làm sáng tỏ thành phần khối lượng sơ cấp của các hạt UHECR. Các nhà nghiên cứu sử dụng phân tích dữ liệu vật lý hạt phức tạp để giải thích các tín hiệu thu được, từ đó suy luận về bản chất của hạt sơ cấp gây ra mưa rào. Từ khóa chính “Nghiên cứu Mưa rào Khí quyển Năng lượng Siêu cao Đài quan sát Pierre Auger” sẽ được tích hợp xuyên suốt để tối ưu hóa khả năng hiển thị trên công cụ tìm kiếm, cùng với các từ khóa LSI như hệ đo bề mặt, tia vũ trụ UHECR, và vật lý hạt. Việc tìm hiểu sâu về các hạt này không chỉ giúp hoàn thiện mô hình vũ trụ mà còn đặt nền tảng cho các khám phá khoa học tương lai. Đây là một lĩnh vực nghiên cứu đầy tiềm năng và cần sự đóng góp từ các công trình học thuật như luận văn thạc sĩ đã đề cập.

1.1. Khám phá Nguồn gốc Tại sao cần nghiên cứu Tia vũ trụ Năng lượng Siêu cao

Việc nghiên cứu tia vũ trụ năng lượng siêu cao (UHECR) là thiết yếu để giải quyết một số câu hỏi cơ bản trong vật lý thiên văn. Các hạt này mang năng lượng lên đến 10^20 eV, gấp hàng triệu lần năng lượng mà các máy gia tốc hạt lớn nhất Trái Đất có thể tạo ra. Các nhà khoa học chưa xác định được nguồn gốc chính xác của chúng, hay cơ chế nào có thể gia tốc hạt lên mức năng lượng khủng khiếp đó. Việc hiểu được thành phần khối lượng của các hạt sơ cấp (ví dụ: proton hay hạt nhân sắt) là cực kỳ quan trọng. Thông tin này giúp giới hạn các mô hình lý thuyết về nguồn gốc và quá trình gia tốc của UHECR. Dữ liệu từ Đài quan sát Pierre Auger cung cấp cơ hội duy nhất để phân tích chi tiết các sự kiện hiếm gặp này, giúp làm sáng tỏ những bí ẩn của vũ trụ.

1.2. Đài quan sát Pierre Auger Kiến trúc Phương pháp và Mục tiêu chính

Đài quan sát Pierre Auger (PAO) tại Argentina là một cơ sở vật lý hạt có quy mô lớn chưa từng có, với diện tích khoảng 3000 km². Mục tiêu chính của nó là phát hiện và nghiên cứu tia vũ trụ năng lượng siêu cao thông qua việc quan sát các mưa rào khí quyển mở rộng (EAS) mà chúng tạo ra khi tương tác với khí quyển. PAO sử dụng hai loại detector bổ sung: một mảng gồm 1600 detector bề mặt (SD) chứa nước Cherenkov, trải đều trên khắp khu vực, và 27 kính viễn vọng huỳnh quang (FD) giám sát ánh sáng phát ra từ mưa rào trong khí quyển. Sự kết hợp này cho phép thu thập dữ liệu toàn diện về năng lượng, hướng và thành phần của hạt sơ cấp. Công trình nghiên cứu mưa rào khí quyển năng lượng siêu cao Đài quan sát Pierre Auger dựa trên việc phân tích dữ liệu phức tạp từ các hệ thống này để đạt được mục tiêu khoa học.

II. Đột phá Công nghệ Hệ đo Bề mặt Pierre Auger trong Nghiên cứu UHECR

Trong bối cảnh nghiên cứu mưa rào khí quyển năng lượng siêu cao Đài quan sát Pierre Auger, hệ đo bề mặt (SD) đóng vai trò trung tâm trong việc thu thập dữ liệu. SD là một mạng lưới rộng lớn các detector Cherenkov chứa nước, được bố trí cách đều nhau trên một diện tích rộng lớn, cho phép phát hiện các hạt thứ cấp đến từ mưa rào khí quyển. Mỗi detector SD ghi lại tín hiệu từ các electron, positron, photon và muon khi chúng đi qua nước, tạo ra ánh sáng Cherenkov. Thông tin này sau đó được truyền về trung tâm để xử lý và phân tích. Ưu điểm của hệ đo bề mặt là khả năng hoạt động liên tục 24/7, không bị ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết hay ánh sáng ban ngày, giúp thu thập một lượng lớn dữ liệu về các sự kiện UHECR hiếm hoi.

Phân tích dữ liệu vật lý hạt từ SD là một quá trình phức tạp, đòi hỏi các thuật toán tiên tiến để tái tạo đặc điểm của mưa rào và suy luận về hạt sơ cấp. Các nhà khoa học phải đối mặt với thách thức từ nhiễu nền và sự biến động của khí quyển. Tuy nhiên, với các mô hình mô phỏng hiện đại và kỹ thuật phân tích thống kê mạnh mẽ, PAO đã đạt được những kết quả đáng kể. Luận văn thạc sĩ tập trung vào việc tối ưu hóa các phương pháp phân tích này, đặc biệt là trong việc xác định độ sâu cực đại của mưa rào (Xmax) và hàm phân bố ngang của hạt muon, những yếu tố then chốt để suy luận về thành phần khối lượng của tia vũ trụ sơ cấp. Việc cải tiến phát hiện hạt và phân tích dữ liệu từ SD là cốt lõi để nâng cao độ chính xác của các nghiên cứu UHECR.

2.1. Cấu trúc Hệ đo Bề mặt SD và Nguyên lý Phát hiện Hạt

Hệ đo bề mặt (SD) của Đài quan sát Pierre Auger bao gồm 1600 bể chứa nước Cherenkov, mỗi bể có đường kính 3,6 m và cao 1,2 m, chứa 12.000 lít nước siêu tinh khiết. Các bể này được đặt cách nhau 1,5 km trong một lưới tam giác đều. Khi các hạt thứ cấp từ mưa rào khí quyển năng lượng siêu cao đi qua nước, chúng di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng trong môi trường đó, tạo ra ánh sáng Cherenkov. Ánh sáng này được phát hiện bởi ba ống nhân quang (PMT) bên trong mỗi bể, sau đó được số hóa và ghi lại. Dữ liệu từ nhiều bể SD kích hoạt đồng thời cho phép tái tạo hướng và năng lượng của hạt sơ cấp. Nguyên lý phát hiện hạt này rất hiệu quả trong việc bao phủ một diện tích rộng lớn.

2.2. Kỹ thuật Phân tích Dữ liệu từ các Sự kiện Mưa rào Khí quyển

Việc phân tích dữ liệu vật lý hạt từ hệ đo bề mặt của Đài quan sát Pierre Auger đòi hỏi các kỹ thuật phức tạp để từ các tín hiệu thô suy ra các thông số vật lý của mưa rào. Các thuật toán được phát triển để xác định thời gian đến của hạt tại mỗi detector, từ đó suy ra hướng của tia vũ trụ sơ cấp. Cường độ tín hiệu được sử dụng để ước tính năng lượng của sự kiện. Một khía cạnh quan trọng là xác định độ sâu cực đại của mưa rào (Xmax) và thành phần muon, là những chỉ số nhạy cảm với thành phần khối lượng sơ cấp. Luận văn thạc sĩ này góp phần vào việc hoàn thiện các kỹ thuật phân tích dữ liệu vật lý hạt, đặc biệt là liên quan đến các đặc tính của muon, giúp cải thiện độ chính xác trong việc xác định bản chất của tia vũ trụ năng lượng siêu cao.

III. Giải mã Bí ẩn Thành phần Khối lượng Sơ cấp của Tia Vũ trụ UHECR tại Auger

Một trong những mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu mưa rào khí quyển năng lượng siêu cao Đài quan sát Pierre Auger là xác định thành phần khối lượng của các hạt sơ cấp gây ra các sự kiện UHECR. Dữ liệu từ PAO cho thấy một sự chuyển tiếp từ thành phần giống proton sang giống sắt trong dải năng lượng từ 1 EeV đến 30 EeV, gần ngưỡng GZK. Kết luận này nhất quán với dự đoán của các mô hình hadronic, nhưng cũng đặt ra những thách thức nhất định. Luận văn thạc sĩ này đi sâu vào việc phân tích các phương pháp được sử dụng để suy luận thành phần khối lượng, đặc biệt là thông qua việc nghiên cứu đặc tính của muon trong mưa rào khí quyển. Việc giải mã thành phần khối lượng sơ cấp không chỉ giúp hiểu rõ hơn về nguồn gốc mà còn về cơ chế gia tốc và sự lan truyền của các tia vũ trụ năng lượng siêu cao trong không gian liên sao. Các nhà nghiên cứu liên tục cải tiến các mô hình tương tác hadronic và phương pháp phân tích dữ liệu để khắc phục những bất đồng tiềm tàng giữa lý thuyết và thực nghiệm.

Sự không nhất quán giữa dữ liệu SD và các mô hình hadronic trong việc tái tạo hàm phân bố ngang của muon là một điểm nóng trong nghiên cứu. Điều này có thể xuất phát từ sự không phù hợp của các mô hình hadronic hiện tại hoặc sự thiếu chính xác trong mô phỏng phản ứng của detector đối với muon. Công trình này đóng góp vào việc làm rõ điểm thứ hai, bằng cách phân tích phản ứng của detector đối với muon năng lượng thấp, với các đặc tính được dự kiến là độc lập với bản chất của hạt sơ cấp. Việc hiểu rõ hơn về thành phần khối lượng sơ cấp là bước tiến quan trọng để vén màn bí mật của vũ trụ cực đoan, và luận văn thạc sĩ này là một phần không thể thiếu trong nỗ lực đó.

3.1. Thách thức trong việc xác định Nguồn gốc và Bản chất Hạt Sơ cấp

Việc xác định bản chất (proton, helium, sắt, v.v.) của hạt sơ cấp là vô cùng khó khăn. Khi tia vũ trụ năng lượng siêu cao va chạm với khí quyển, chúng tạo ra hàng tỷ hạt thứ cấp hình thành mưa rào khí quyển mở rộng. Các detector chỉ có thể đo lường các hạt thứ cấp này. Do đó, việc suy luận về hạt sơ cấp đòi hỏi sự kết hợp phức tạp giữa mô hình mô phỏng, dữ liệu thực nghiệm và các giả định vật lý. Các mô hình hadronic, mô tả tương tác của các hạt năng lượng cao, là công cụ chính. Tuy nhiên, sự không chắc chắn trong các mô hình này là một thách thức lớn. "Mặc dù đã có những tiến bộ lớn trong phân tích dữ liệu FD, nơi có cách tiếp cận chặt chẽ đối với các sai lệch và bất định hệ thống có thể xảy ra, thành phần khối lượng sơ cấp của UHECR vẫn là một câu hỏi mở." (Dẫn chiếu từ tài liệu gốc, phần Summary). Luận văn thạc sĩ tập trung vào việc giảm thiểu những bất định này.

3.2. So sánh Mô hình Hadronic và Dữ liệu Thực nghiệm tại Đài quan sát Auger

Các mô hình tương tác hadronic như QGSJET, EPOS, và Sibyll, được sử dụng để mô phỏng sự phát triển của mưa rào khí quyển năng lượng siêu cao và dự đoán các đặc tính của chúng. Các dự đoán này sau đó được so sánh với dữ liệu thực nghiệm thu được từ Đài quan sát Pierre Auger. Mặc dù có những thành công đáng kể trong việc giải thích một số khía cạnh của dữ liệu, vẫn tồn tại những bất đồng, đặc biệt là về số lượng và phân bố của muon. Ví dụ, dữ liệu SD đôi khi cần phải tăng thang năng lượng khoảng 30% để phù hợp với dự đoán của mô hình hadronic. Điều này chỉ ra rằng "một nguyên nhân có thể là sự không phù hợp của các mô hình hadronic để tái tạo hàm phân bố ngang của muon" (Dẫn chiếu từ tài liệu gốc, phần Summary). Việc phân tích dữ liệu vật lý hạt trong luận văn thạc sĩ này tập trung vào việc làm rõ những điểm không nhất quán này, đặc biệt là trong việc mô tả phản ứng của detector đối với muon năng lượng thấp.

IV. Đánh giá Đóng góp Kết quả và Ý nghĩa của Luận văn Thạc sĩ về UHECR

Công trình Luận văn Thạc sĩ về nghiên cứu mưa rào khí quyển năng lượng siêu cao Đài quan sát Pierre Auger đã mang lại những đóng góp quan trọng trong việc thấu hiểu các hiện tượng vật lý cực đoan. Nghiên cứu này không chỉ củng cố các phát hiện trước đây mà còn giải quyết một số điểm còn mơ hồ trong việc phân tích dữ liệu từ hệ đo bề mặt. Một trong những kết quả nổi bật là việc phân tích chi tiết phản ứng của detector bề mặt đối với muon năng lượng thấp. Điều này đặc biệt quan trọng vì muon là một thành phần then chốt của mưa rào khí quyển, và sự hiểu biết chính xác về cách detector phản ứng với chúng là cần thiết để suy luận đúng đắn về hạt sơ cấp. Nghiên cứu cho thấy rằng các kết quả nhất quán với dự đoán của các mô hình hadronic, nhưng cũng chỉ ra sự cần thiết phải cải tiến các mô hình này hoặc cách mô phỏng phản ứng của detector. Việc phân tích dữ liệu vật lý hạt chuyên sâu đã giúp làm rõ các bất định và sai lệch có thể xảy ra.

Ý nghĩa thực tiễn của luận văn không chỉ giới hạn trong cộng đồng vật lý hạt. Những cải tiến trong phương pháp phân tích dữ liệu và hiểu biết về thành phần khối lượng sơ cấp của tia vũ trụ năng lượng siêu cao có thể tác động đến các lĩnh vực khác như vật lý thiên văn vũ trụ học. Thông tin về thành phần khối lượng giúp các nhà khoa học xác định các nguồn tiềm năng của UHECR, từ đó làm sáng tỏ các quá trình vật lý năng lượng cao nhất trong vũ trụ. Nghiên cứu này cũng đóng vai trò là một minh chứng quan trọng cho sự hợp tác quốc tế trong nghiên cứu khoa học, như được thể hiện qua sự đồng hướng dẫn luận án giữa các trường đại học ở Pháp và Việt Nam. Các kết quả này mở ra những hướng đi mới và cung cấp một nền tảng vững chắc cho các nghiên cứu trong tương lai về mưa rào khí quyển năng lượng siêu cao.

4.1. Những phát hiện quan trọng từ việc Phân tích Dữ liệu UHECR

Luận văn thạc sĩ đã đưa ra các phát hiện quan trọng từ việc phân tích dữ liệu UHECR, đặc biệt là tập trung vào phản ứng của hệ đo bề mặt đối với muon năng lượng thấp. "Nghiên cứu được trình bày trong Phần 4 của báo cáo này là một đóng góp vào việc hiểu điểm sau: nó phân tích phản ứng của detector đối với muon năng lượng thấp, các đặc tính của chúng được dự kiến từ mô phỏng là về cơ bản độc lập với bản chất - giống proton hay giống sắt - của hạt sơ cấp." (Dẫn chiếu từ tài liệu gốc, phần Summary). Việc này giúp giảm bớt sự phụ thuộc vào các giả định về hạt sơ cấp, cải thiện độ tin cậy của các phép đo. Phân tích này cũng cung cấp bằng chứng củng cố quan điểm về sự chuyển tiếp từ thành phần giống proton sang giống sắt trong dải năng lượng nhất định, một kết quả quan trọng trong nghiên cứu mưa rào khí quyển năng lượng siêu cao Đài quan sát Pierre Auger.

4.2. Ý nghĩa thực tiễn và Tác động khoa học của Nghiên cứu này

Nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn sâu rộng đối với cộng đồng vật lý hạt. Bằng cách cải thiện sự hiểu biết về phản ứng của detector và các yếu tố ảnh hưởng đến việc xác định thành phần khối lượng sơ cấp, luận văn giúp tăng cường độ chính xác của các kết quả từ Đài quan sát Pierre Auger. Điều này cho phép các nhà khoa học đưa ra những kết luận đáng tin cậy hơn về nguồn gốc và cơ chế gia tốc của tia vũ trụ năng lượng siêu cao. Tác động khoa học bao gồm việc thúc đẩy sự phát triển của các mô hình tương tác hadronic và các kỹ thuật phân tích dữ liệu vật lý hạt tiên tiến. Đây là một bước tiến quan trọng trong việc hoàn thiện bức tranh về vũ trụ, từ những nguồn năng lượng mạnh nhất đến cấu trúc hạt cơ bản, góp phần vào sự phát triển chung của vật lý thiên văn.

V. Hướng tới Tương lai Triển vọng Nghiên cứu Mưa rào Khí quyển Năng lượng Siêu cao

Lĩnh vực nghiên cứu mưa rào khí quyển năng lượng siêu cao Đài quan sát Pierre Auger đang tiếp tục phát triển với nhiều triển vọng mới. Mặc dù đã đạt được những thành tựu đáng kể, vẫn còn nhiều câu hỏi cần được giải đáp và nhiều giới hạn cần được vượt qua. Việc liên tục nâng cấp và cải tiến Đài quan sát Pierre Auger, cả về phần cứng lẫn phần mềm, là cần thiết để tăng cường khả năng thu thập và phân tích dữ liệu. Các dự án mở rộng hoặc nâng cấp detector, như tăng mật độ các trạm SD hoặc cải thiện hiệu suất của kính viễn vọng huỳnh quang, sẽ cung cấp dữ liệu với độ chính xác cao hơn. Ngoài ra, việc phát triển các mô hình tương tác hadronic mới, có khả năng mô tả chính xác hơn các tương tác hạt năng lượng cao, là yếu tố then chốt để giải quyết những bất đồng hiện tại giữa lý thuyết và thực nghiệm. Sự hợp tác quốc tế tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong việc chia sẻ kiến thức và tài nguyên, thúc đẩy tốc độ khám phá.

Các hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc tận dụng tối đa dữ liệu đã thu thập và phát triển các phương pháp phân tích tiên tiến hơn. Điều này bao gồm việc tích hợp dữ liệu từ các detector khác nhau một cách hiệu quả hơn, áp dụng các kỹ thuật học máy (machine learning) để phân loại sự kiện và xác định đặc tính của mưa rào. Mục tiêu cuối cùng là xác định nguồn gốc của các tia vũ trụ năng lượng siêu cao và hiểu rõ cơ chế vật lý đằng sau chúng. Việc tìm kiếm các hạt trung tính (như photon hay neutrino) ở năng lượng siêu cao cũng là một hướng đi đầy hứa hẹn, có thể cung cấp thông tin trực tiếp hơn về các nguồn phát. Tóm lại, tương lai của nghiên cứu mưa rào khí quyển năng lượng siêu cao Đài quan sát Pierre Auger hứa hẹn nhiều khám phá đột phá, tiếp tục định hình sự hiểu biết của chúng ta về vũ trụ.

5.1. Các Giới hạn hiện tại và Triển vọng cải tiến Đài quan sát Pierre Auger

Hiện tại, Đài quan sát Pierre Auger đối mặt với một số giới hạn, bao gồm sự không chắc chắn trong mô hình hadronic và phản ứng của detector đối với các hạt thứ cấp, đặc biệt là muon. Để khắc phục, các nhà khoa học đang xem xét các cải tiến như việc triển khai AugerPrime, một bản nâng cấp nhằm tăng cường khả năng tách biệt tín hiệu từ muon và electron/photon trong các detector bề mặt. Mục tiêu là nâng cao độ chính xác trong việc xác định thành phần khối lượng của tia vũ trụ năng lượng siêu cao. Việc cải tiến cũng bao gồm việc nâng cấp phần cứng và phần mềm, cùng với các kỹ thuật phân tích dữ liệu vật lý hạt tiên tiến hơn, nhằm khai thác tối đa tiềm năng của đài quan sát.

5.2. Các Hướng nghiên cứu tiếp theo về Tia vũ trụ Năng lượng Siêu cao

Các hướng nghiên cứu tiếp theo về tia vũ trụ năng lượng siêu cao sẽ tập trung vào việc giải quyết những câu hỏi còn bỏ ngỏ. Điều này bao gồm việc tìm kiếm các tín hiệu yếu từ các hạt trung tính như photon hoặc neutrino năng lượng siêu cao, có thể cung cấp manh mối trực tiếp về nguồn gốc. Phát triển các mô hình vật lý mới vượt ra ngoài mô hình tiêu chuẩn hiện tại cũng là một ưu tiên. Ngoài ra, việc kết hợp dữ liệu từ Đài quan sát Pierre Auger với các đài quan sát tia vũ trụ khác trên thế giới sẽ tạo ra một bức tranh toàn diện hơn về bầu trời năng lượng cao. Mục tiêu cuối cùng của nghiên cứu mưa rào khí quyển năng lượng siêu cao Đài quan sát Pierre Auger là tiến tới một hiểu biết hoàn chỉnh về các hiện tượng vũ trụ cực đoan.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Phạm Thị Tuyết Nhung NGHIÊN CỨU MƯA RÀO KHÍ QUYỂN NĂNG LƯỢNG SIÊU CAO SỬ DỤNG HỆ ĐO BỀ MẶT CỦA ĐÀI QUAN SÁT PIERRE AUGER LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ HÀ NỘI - 2009 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Phạm Thị Tuyết Nhung NGHIÊN CỨU MƯA RÀO KHÍ QUYỂN NĂNG LƯỢNG SIÊU CAO SỬ DỤNG HỆ ĐO BỀ MẶT CỦA ĐÀI QUAN SÁT PIERRE AUGER Chuyên ngành: Vật lý hạt nhân nguyên tử Mã số : 62.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: 1. DARRIULAT Pierre, Viện Khoa học Kỹ thuật Hạt nhân, Hà Nội 2. BILLOIR Pierre, LPNHE, Đại học Paris VI-UPMC HÀ NỘI - 2009 UNIVERSITE PARIS VI – PIERRE ET MARIE CURIE ECOLE DOCTORALE DE PHYSIQUE La Physique de la particule à la matière condensée (ED389) Doctorat de Physique PHAM Thi Tuyet Nhung Contribution à l’étude des grandes gerbes à l’aide du détecteur de surface de l’Observatoire Pierre Auger Thèse dirigée par BILLOIR Pierre, LPNHE, Université Paris VI-UPMC et DARRIULAT Pierre, Institut des Sciences et Technologies Nucléaires, Hanoi Soutenue le 18 décembre 2009 Soutenue devant la commission d'examen composée de: TRAN Minh Tam Président De KERRET Hervé Rappoteur NGUYEN Mau Chung Rappoteur BILLOIR Pierre Directeur de thèse URBAN Marcel ii ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN PHAM Thi Tuyet Nhung Nghiên cứu mưa rào khí quyển năng lượng siêu cao sử dụng hệ đo bề mặt của Đài quan sát Pierre Auger Người hướng dẫn khoa học: DARRIULAT Pierre, Viện Khoa học Kỹ thuật Hạt nhân Hà Nội và BILLOIR Pierre, LPNHE, Đại học Paris VI-UPMC Ngày bảo vệ luận án: 18/12/2009 Hội đồng chấm luận án: TRAN Minh Tam Chủ tịch De KERRET Hervé Phản biện NGUYEN Mau Chung Phản biện BILLOIR Pierre Người hướng dẫn URBAN Marcel iii This thesis has been made under joint supervision of Professors Pierre Billoir (LPNHE, Paris) and Pierre Darriulat (INST, Hanoi) following the cooperation agreement on jointly supervision PhD. between the Université Pierre et Marie Curie and the Hanoi University of Science.

Cette thèse a été réalisée sous la direction conjointe des professeurs Pierre Billoir (LPNHE, Paris) et Pierre Darriulat (INST, Hanoi) en application de la convention de thèse en cotutelle entre l’Université Pierre et Marie Curie et l’Univesité Scientifique de Hanoi. Luận án này được thực hiện dưới sự đồng hướng dẫn của GS Pierre Billoir (LPNHE, Paris) và GS Pierre Darriulat (INST, Hà Nội) theo văn bản hợp tác đồng hướng dẫn nghiên cứu sinh giữa trường Đại học Pierre và Marie Curie với trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội. iv Acknowledgement This thesis was made under joint supervision by Pr Pierre Billoir and Pr Pierre Darriulat, both of whom I express my deepest gratitude for their constant support and invaluable guidance. In particular, I am very grateful to Pr Pierre Billoir for having made my stays in Paris both efficient and enjoyable and for his kindness and patience in giving me suggestions, explanations and advice.

I also express my deepest gratitude to Pr Pierre Darriulat, for his invaluable guidance and his enthusiasm that makes his students like science and motivates them to pursue research. I thank my colleagues in the Pierre Auger Collaboration for their understanding and constant support, in particular the members of the Auger groups in LPNHE, IPN/Orsay and LAL. I acknowledge the help and support of my professors in Hanoi University of Science, in particular Pr Nguyen Mau Chung, Pr Pham Quoc Hung, Pr Dao Tien Khoa and Pr Bui Duy Cam. Warm thanks are also expressed to my colleagues in the Institute for Nuclear Science and Technology for their help and encouragement.

I warmly thank the members of the VATLY group for their friendly help, discussion (fruitful or not) and kind friendship that makes the life in the lab so pleasant. I also express my deepest gratitude to my family for their patience and moral support. Finally, I acknowledge financial support from World Laboratory, French Ministère des Affaires Étrangères (bourse Évariste Galois), Rencontres du Vietnam (bourse Odon Vallet), French CNRS, Vietnam Atomic Energy Commission and Vietnam Ministry of Science and Technology. v Résumé Ce travail porte sur des observations réalisées à l’aide du détecteur de surface (SD) de l’Observatoire Pierre Auger qui étudie les rayons cosmiques d’énergies supérieures à 10 EeV.

Il détecte les grandes gerbes produites dans leur interaction avec l’atmosphère au moyen d’un réseau de 1600 compteurs Cherenkov (CC) qui couvre 3000 km 2. Les données ont la forme d’un enregistrement digital des temps d’arrivée et des amplitudes des signaux enregistrés par les trois photomultiplicateurs (PMT) de chaque CC. La thèse comporte des études de leurs propriétés, d’une asymétrie observée entre les trois PMT d’un même CC et de la désintégration de muons stoppant dans les CC. En ce qui concerne la première, les incertitudes qui affectent la mesure ont été évaluées et les différences observées entre les trois PMT d’un même CC ont été identifiées et attribuées à deux causes bien maîtrisées : impulsions retardées et asymétrie de première lumière.

Un algorithme de recherche de pics, basé sur la déconvolution de la décroissance exponentielle de la lumière détectée, a été affiné, sa performance évaluée et ses limites identifiées, ouvrant ainsi la voie à son utilisation systématique dans des études ultérieures. Une corrélation entre l’azimuth de la gerbe et l’asymétrie entre les trois PMT d’un même CC, observée avant que la lumière n’ait le temps d’être suffisamment diffusée par les parois, a été mise en évidence et exploitée pour mesurer la divergence de la gerbe et illustrer la puissance de la méthode et sa sensibilité. Enfin, on a mis en évidence l’existence de muons stoppant à l’intérieur du volume des CC, identifiés par le signal produit par l’électron de désintégration. La difficulté de cette étude réside dans la petitesse des signaux recherchés et permet de mettre à l’épreuve la connaissance qu’on a du détecteur et des outils utilisés pour son analyse.

Un bruit de fond de très faible amplitude a été décelé, suggérant la présence vraisemblable de neutrons, une possibilité qui reste à explorer. vi Tóm tắt Luận án trình bày nghiên cứu sử dụng số liệu của hệ đo bề mặt (SD), Đài quan sát Pierre Auger. Đài quan sát này ghi nhận mưa rào khí quyển diện rộng sinh ra do tia vũ trụ siêu năng lượng cao (trên 10 EeV) tương tác với bầu khí quyển. Hệ SD gồm 1600 bình đo Cherenkov nước trải rộng trên diện tích 3000 km2.

Với mỗi bình đo, thông tin về thời gian và độ lớn tín hiệu được ghi nhận bởi ba ống nhân quang điện (PMT) và được lưu dưới dạng số. Luận án tập trung nghiên cứu đặc điểm của bình đo Cherenkov, tính bất đối xứng tín hiệu giữa các PMT vào thời điểm xuất hiện tín hiệu và phân rã của muon ở trong bình đo. Nghiên cứu đầu tiên đã đánh giá những yếu tố bất định ảnh hưởng tới phép đo và đưa ra bằng chứng cho thấy sự không đồng nhất xảy ra ở một số thời điểm giữa các PMT của một bình đo là do hiện tượng sau xung và sự bất đối xứng tín hiệu lúc bắt đầu được ghi nhận. Hai hiệu tượng này đều có thể kiểm soát được.

Nghiên cứu đã phát triển thuật toán xác định đỉnh tín hiệu dựa trên việc loại bỏ phần suy giảm theo hàm mũ của ánh sáng ghi nhận bởi các PMT đồng thời đánh giá về khả năng cũng như hạn chế của nó, tạo tiền đề cho việc áp dụng phương pháp một cách hệ thống trong các nghiên cứu sâu hơn. Bất đối xứng tín hiệu xảy ra trước khi ánh sáng phân tán đều do khuếch tán nhiều lần trên thành bình. Nghiên cứu cho thấy hiện tượng này có tương quan với góc tới của trục mưa rào khí quyển và có thể sử dụng để xác định độ phân kỳ của mưa rào, chứng tỏ khả năng và minh họa cho độ nhạy của phương pháp. Nghiên cứu phân rã muon trong bình đo dựa vào việc xác định tín hiệu của sản phẩm phân rã là electron.

Nghiên cứu này đã giải quyết một số khó khăn gây ra do biên độ tín hiệu của electron rất nhỏ, cung cấp thêm một phép đánh giá khả năng hoạt động của bình đo cũng như phương pháp phân tích tín hiệu. Nghiên cứu cũng cho thấy tồn tại một phông nền thấp có thể gây ra bởi các neutron, điều này cần được làm rõ bằng các nghiên cứu sâu hơn. vi Contribution to the study of ultra high energy showers using the surface detector of the Pierre Auger Observatory Summary The present thesis deals with observations made using the surface detector (SD) of the Pierre Auger Observatory that studies cosmic rays having energies in excess of 10 EeV. It detects the extensive air showers produced by such cosmic rays in their interactions with the atmosphere in an array of 1600 water Cherenkov counters (CC) that covers 3000 km2.

The information available from the SD is in the form of digitized records of the time of arrival and amplitude of the signals recorded in each CC by three photomultiplier tubes (PMT). The thesis includes studies of their properties, of the early time PMT asymmetry and of the decay of muons stopping in the counters. Concerning the former, the uncertainties affecting the measurement have been evaluated and evidence has been given that the occasional apparent inconsistencies between the three PMTs of a same CC reduce to only two types, after pulses and early time asymmetries, both of which are under control. A peak finding algorithm consisting in unfolding the exponential decay of the collected light has been refined, its performance has been assessed and its limitations have been identified, opening the road toward its systematic use in further studies.

A PMT asymmetry, occurring before the light has a chance of being randomized by multiple diffusions on the CC walls, has been shown to be correlated with the azimuth of the shower axis, which has been exploited to evaluate the shower divergence, to show the power of the method and illustrate its sensitivity. Finally, a search for muons stopping in the water volume of the CCs, identified by the signal produced by the decay electron, has overcome the difficulties resulting from their small amplitude and has given an opportunity to assess the detector performance, providing a test of both the detector and the tools available for its analysis. Evidence has been found for a very low charge background that might be associated with neutrons, a possibility that remains to be explored. vi Mot-clé: rayons cosmiques d' énergies extrêmes Từ khóa: tia vũ trụ năng lượng cao Keyword: ultra high energy cosmic rays ix Résumé substantiel en français Les travaux présentés ici ont été réalisés dans le cadre de la Collaboration Pierre Auger qui exploite l’Observatoire Pierre Auger (PAO) dans la pampa argentine et cherche à répondre à un certain nombre de questions qui n’ont pas encore reçu de réponses satisfaisantes concernant la nature et les propriétés des rayons cosmiques d'énergie supérieure à 1 EeV, dits “d’ultra haute énergie” (UHECR).

La construction de l’observatoire a été menée à terme en juin 2008 mais la prise de données a commencé dès janvier 2004 de telle sorte qu’une fois terminée la construction l’observatoire avait déjà accumulé le plus grand ensemble au monde d’observations portant sur de tels rayons cosmiques. À l’époque où l’observatoire a été conçu, il était possible d’identifier un petit nombre de questions fondamentales auxquelles il convenait de répondre en priorité ; elles ont guidé les choix qui ont présidé à la conception de l’observatoire.