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L’expérience CODALEMA à Nançay Didier Charrier et Lilian Martin Subatech, CNRS/Université de Nantes/ École des Mines de Nantes. CODALEMA. Les groupes de recherche. SUBATECH Nantes (IN2P3, 2002) LESIA - Observatoire de Paris-Meudon - Station de Radioastronomie de Nançay (INSU,2002) - PowerPoint PPT Presentation
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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
Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008 2
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)
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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
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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
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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)
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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.
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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
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Le réseau déployé à Nançay (Janv. 2008)Le réseau déployé à Nançay (Janv. 2008)
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Les instruments installésLes instruments installés
Station scintillateur
Dipôle actif
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Les instruments installésLes instruments installés
Dipôle actif
Instruments complètement câblés jusqu’au conteneur d’acquisition
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Les instruments installésLes instruments installés
Dans le conteneur
PC d’acquisition
Cartes de digitalisation (lecture par GPIB)
Modules de déclenchement
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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
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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
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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
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Analyse d’événement : signaux en tempsAnalyse d’événement : signaux en tempsE~10E~101818eVeV
23-130 MHz23-130 MHzNord
Sud Ouest
Est
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Analyse d’événements : spectres en fréquenceAnalyse d’événements : spectres en fréquenceNord
Sud
Ouest
Est
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Analyse d’événements : profil latéralAnalyse d’événements : profil latéral
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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
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Asymétrie des directions d’arrivéeAsymétrie des directions d’arrivée
Reconstruction « particules »Reconstruction « antennes »
Il manque des événements au Sud
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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
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Transparents supplémentairesTransparents supplémentaires
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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
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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
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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
Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008 25
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
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+ 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
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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
Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008 28
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
Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008 29
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
Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008 30
Sources radio : un environnement variéSources radio : un environnement varié
Des taux de trigger et des durées d’émission variés dans le temps
Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008 31
Sources radio : un environnement à préciserSources radio : un environnement à préciser
Une triangulation possible (onde sphérique)Des formes d’onde atypiques et variées
Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008 32
Des spectres variablesDes spectres variables
Ondes courtes en AM
Évolution du spectre en fréquenceà basse fréquence en fonction du temps
MinuitMidi
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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.
Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008 34
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,…)