Search for neutrinos from transient sources with the ANTARES neutrino telescope and optical follow-up observations - Development of hemispheric hybrid photomultipliers for astroparticle experiments
Recherche de neutrinos issus de sources transitoires avec le télescope à neutrinos ANTARES et leur suivi optique - Développement de photomultiplicateurs hémisphériques hybrides pour les expériences en Astroparticules
Résumé
Astroparticle experiments are being developed with the aim of resolving the mystery of cosmic rays. Questions like from where cosmic rays originate or how do they get accelerated up to ultra high energies are still unresolved. Cherenkov telescopes like ANTARES detect the Cherenkov light emitted by muons propagating in sea water. Muons are produced by the interaction of cosmic neutrinos (signal) or atmospheric neutrinos (noise) with the Earth nuclei. In order to offer the best detection conditions of Cherenkov light, and subsequently ensure a good reconstruction quality of the muons trajectory, the light sensors i.e the photomultipliers must satisfy various conditions.
The first part of this thesis focuses on the development of photomultipliers using crystals as a preamplifier of the light signal. The advantage of such a method is the possibility to separate individual photo-electrons and to enhance the temporal resolution by applying a high electric field. The design and conception as well as the possibility to produce such devices at large industrial scales is for the first time developed in this thesis.
The second part of the thesis is inspired from the new multi-messenger approach in ANTARES. An optical follow-up with six telescopes spread over the two hemispheres is triggered by the detection of a high energy neutrino or a set of neutrinos coincident in time and direction. Such a system enhances the sensitivity to transient sources such as Gamma Rays Bursts or Core Collapse Supernovae. The neutrino alert system is now fully operational. The system offers good performances; the optical follow-up starts within one minute from the neutrino detection and the median angular accuracy of the reconstructed neutrinos is 0.4◦. Upon the reception of an alert, the telescopes point at the neutrino direction and start the acquisition of image series almost each night of the month follow- ing the neutrino alert. Image analysis tools have been implemented to search for optical transients and first results on the search of GRB optical counterparts correlated with a neutrino signal are presented.
L’origine des rayons cosmiques ainsi que les procédés mis en oeuvre dans leur accélération à d’ultra-hautes énergies constituent l’un des sujets les plus débattus en astrophysique de nos jours. Une clé de ce mystère peut se trouver dans la détection de neutrinos cosmiques produits par un panel d’objets astrophysiques candidats à l’émission de rayons cosmiques. Les télescopes à neutrinos tels que ANTARES détectent la lumière Cherenkov issue des muons se propageant dans l’eau de mer. Les muons sont les produits d’interaction de neutrinos cosmiques (signal) ou atmosphériques (bruit) avec les noyaux de la terre. Pour offrir les meilleures conditions de détection de la lumière Cherenkov, et par conséquent bien reconstruire les traces des muons détectés, les détecteurs de lumière i.e les photo- multiplicateurs dont sont équipés les expériences Cherenkov dans la mer ou dans la glace doivent satisfaire plusieurs conditions, telles qu’une bonne résolution temporelle et un bon signal-sur-bruit pour pouvoir séparer les pics photo-électrons.
Le premier volet de cette thèse porte sur le développement de photomultiplicateurs utilisant le cristal comme préamplificateur de signal optique. L’avantage d’un tel procédé est la possibilité de séparer plusieurs pics photo-électrons et d’améliorer la résolution tem- porelle grâce à l’application d’un fort champ électrique. La conception d’un tel prototype et la possibilité de son industrialisation à grande échelle sont développés pour la première fois dans cette thèse.
Le deuxième volet s’inscrit dans la nouvelle thématique multi-messagers d’ANTARES. Un suivi avec six télescopes optiques répartis sur chaque hémisphère est déclenché lorsque ANTARES détecte un neutrino de haute énergie ou un ensemble de neutrinos coïncidents en temps et en direction. Un tel système permet d’augmenter la sensibilité de détection de neutrinos provenant de sources transitoires tels que les sursauts gamma et les Supernovæ à effondrement de cœur. Un système d’alertes neutrino est maintenant implémenté et fonctionne continument et de manière autonome dans ANTARES. Le système offre de bonnes performances; le suivi optique se déclenche dans la minute suivant la détection neutrino et l’incertitude sur la reconstruction de la trajectoire du neutrino est de 0.4◦ (valeur médiane). Une fois l’alerte reçue par un des télescopes, celui-ci se repositionne sur la direction du neutrino et entame une série d’observations réparties sur le mois suivant l’alerte. Cette thèse a porté dans un premier temps sur l’aspect neutrino en développant le filtre sélectionnant les évènements haute énergie et multi-neutrinos. Des outils d’analyse d’images optiques ont ensuite été implémentés pour la recherche de sources transitoires. Les premiers résultats de recherche de contreparties optiques de sursauts gamma en corrélation avec un signal neutrino sont présentés.
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