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Accueil du site > Thèses, Stages, Formation et Enseignement > Propositions de thèses 2018 > Etude des fonds diffus avec l’expérience HESS

Etude des fonds diffus avec l’expérience HESS

Equipe thématique « Rayonnement Cosmique et Matière Noire » ; expérience : HESS

Directeur de thèse : Pascal Vincent

tél : 01 44 27 48 43

e-mail : pascal.vincent lpnhe.in2p3.fr

Titre : Etude des fonds diffus avec l’expérience HESS

L’étude des rayonnements diffus galactiques renseigne à la fois sur la nature et le lieu de leurs productions ainsi que sur les mécanismes mis en jeux dans ces sources pour les produire mais aussi sur la composition en champs et matières du milieu galactique. La composante extragalactique est un traceur de l’évolution de l’Univers. Ils sont de plus en plus étudiés dans le domaine des rayonnements gamma mais aussi à l’aide d’autres sondes telles que les électrons et les hadrons. L’étude de ces rayonnements offre également la possibilité d’explorer la nature de la matière manquante de l’Univers. Les enjeux de cette étude sont non seulement de comprendre et de modéliser ces phénomènes mais aussi de déceler des écarts aux prédictions pouvant etre attribués à la présence de matière noire.

Les premières anomalies ont été observées dans le domaine du GeV et du TeV chez les fonds diffus électromagnétiques par notamment le satellite EGRET[1]. Résultat qui fut réfuté près d’une décennie plus tard par l’exploitation des données de l’instrument LAT du Satellite FERMI[2]. Cet instrument proposa un nouveau spectre en énergie plus précis s’étendant jusqu’à plusieurs centaines de MeV qui est complété au TeV par une limite supérieure déterminée par l’expérience H.E.S.S.[3]. Le domaine des émissions diffuses d’électrons et d’antiélectrons permettent de sonder le voisinage proche de notre système solaire. La collaboration PAMELA [4] a fait état d’une augmentation significative de la fraction de positons dans le régime d’énergie compris entre 10 et 100 GeV, qui a été confirmé par le satellite AMS-02 laissant entrevoir l’émission de pulsars voisins ou un signal de matière noire. Les expériences ATIC [5], PPB-PARIS [6] et HESS [7] suggèrent un excès dans le flux total d’électrons entre 100 GeV et 1 TeV. Les données récentes de Fermi/LAT [8] et HESS [9] montrent un spectre continu et décroissant rapidement qui est difficilement compatible avec le taux de fond diffus attendu à des énergies supérieures à 100 GeV. Ils identifient également une coupure marquée autour de 1 TeV, mais pas d’excès importants à plus basse énergie. Le satellite FERMI/LAT[8] et les expériences MAGIC[11] et VERITAS[12] suggèrent également un excès à plusieurs TeV qui est contredit pas le satellite AMS-02[13]. Le réseau HESS de cinq télescopes à effet Cherenkov, installé en Namibie, est à la pointe de ces travaux et les résultats récents de l’expérience H.E.S.S.[10] produits au laboratoire, sur la composante en électron de ce fond diffus en parfaite continuité des données d’AMS-02 ont été largement discuté au plan international. Dans le domaine hadronique les résultats d’AMS-02 montrent là aussi des évolutions spectrales inattendues.

Des techniques d’analyse adaptées à ces signaux ont été développées au laboratoire pour comparer les différentes régions du ciel et extraire les différentes composantes des fonds diffus. L’analyse des données de H.E.S.S. combinées à celles de Fermi, disponible à la communauté, permettra de couvrir un vaste spectre en énergie, entre quelques centaine de MeV à plusieurs dizaines de TeV ; soit près de six ordres de grandeur. Le travail vise à analyser simultanément les différentes composantes des fonds diffus par des méthodes multivariées. Les techniques de reconstruction de H.E.S.S. essentiellement basées sur les caractéristiques des rayonnements gamma devront etre étendues aux électrons. Le travail comportera également un volet instrumental de compréhension de la réponse des détecteurs sur le site de l’expérience et au laboratoire où une reproduction à plus petite échelle d’une caméra est disponible.

Lieu de travail : LPNHE - Paris

Déplacements éventuels : Pays membres de la collaboration (Allemagne, Angleterre, Pologne, République Tchèque, Suède, Autriche ...), Namibie (site de l’expérience) et site des conférences.

Documentation :

  • [1]. Moskalenko, I.V., Strong, A.W. and Reimer, O. 1998, A&A, 338, L75 ; arXiv:astro-ph/9808084
  • [2]. T. A. Porter, for the Fermi LAT Collaboration, “Fermi LAT Measurements of the Diffuse Gamma-Ray Emission at Intermediate Galactic Latitudes”, arXiv:0907.0294
  • [3]. T. Garrigoux, P. Vincent, « Study of the diffuse emissions with the H.E.S.S. experiment », August 2nd, 2014, International Conference on New Frontiers in Physics, Crete, Greece.
  • [4]. O. Adriani et al., “Observation of an anomalous positron abundance in the cosmic radiation” arXiv:0810.4995.
  • [5]. M. Aguilar et al. (AMS Collaboration), “Electron and Positron Fluxes in Primary Cosmic Rays Measured with the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station”, Phys. Rev. Lett. 113, 121102 – Published 18 September 2014
  • [6]. J. Chang et al., “An excess of cosmic ray electrons at energies of 300.800 GeV,” Nature 456 (2008) 362– 365
  • [7]. S. Torii et al., “High-energy electron observations by PPB-BETS flight in Antarctica,” arXiv:0809.0760 [astro-ph].
  • [8]. H.E.S.S. Collaboration, F. Aharonian et al., “The energy spectrum of cosmic-ray electrons at TeV energies,” Phys. Rev. Lett. 101 (2008) 261104.
  • [9]. F.-L. Collaboration et al., Physical Review D 95 (2017), arXiv : 1704.07195.
  • [10]. H.E.S.S. Collaboration, F. Aharonian et al., “Probing the ATIC peak in the cosmic-ray electron spectrum with H.E.S.S”. Astron. Astrophys. 508 (2009) 561-564.
  • [11]. D. B. Tridon et al., arXiv :1110.4008 [astro-ph] (2011), arXiv : 1110.4008.
  • [12]. D. Staszak and f. t. V. Collaboration, arXiv :1508.06597 [astro-ph] (2015), arXiv :1508.06597.
  • [13]. M. Aguilar et al. (AMS Collaboration), « Precision Measurement of the (e++e−) Flux in Primary Cosmic Rays from 0.5 GeV to 1 TeV with the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station », Phys. Rev. Lett. 113, 221102 – Published 26 November 2014.
  • [14]. D. Kerszberg, M. Kraus, D. Kolitzus, K. Egberts, S. Funk, J.-P. Lenain, O. Reimer & P. Vincent for the H.E.S.S. Collaboration, « The cosmic-ray electron spectrum measured with H.E.S.S.. ». 35Th International Cosmic Ray Conference, 12 – 20 July 2017, Boxco, Busan, Korea.
  • http://lpnhe.in2p3.fr/
  • http://www.mpi-hd.mpg.de/hfm/HESS/

Contact :

Ecole doctorale de rattachement :
Ecole doctorale Sciences de la Terre et de l’Environnement et Physique de l’Univers

Lien sur les offres de thèse et candidature : http://ed560.ipgp.fr/index.php/Offres_de_th%C3%A8se

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