Search for gamma-rays in the EeV sky at the Pierre Auger Observatory using universality

Recherche de photons de très haute énergie à l'Observatoire Pierre Auger en utilisant l'universalité Les rayons cosmiques d’ultra-haute énergie (énergie supérieure à 10¹⁸ eV) peuvent produire des gammas ultra énergétiques via leurs interactions avec les particules présentes dans les environnements de leurs sources, ou avec les photons de basse énergie constituant des fonds diffus dans l’Univers lors de leur propagation vers la Terre. La détection de tels photons cosmogéniques permettrait de sonder davantage les rayons cosmiques de très haute énergie car leur flux dépend des caractéristiques des sources ainsi que de la nature des noyaux parents. D’autre part, les photons d’ultra haute énergie pourraient également sonder de la nouvelle physique, car leur détection pourrait montrer la présence de matière noire composée de particules super lourdes se désintégrant en photons. Aux énergies les plus hautes, les rayons cosmiques et les photons sont mesurés grâce aux gerbes atmosphériques produites lors de leur interaction dans l’atmosphère terrestre. Les signatures clés permettant de distinguer les gerbes de photons du fond dominant dû aux hadrons sont une plus grande profondeur atmosphérique du maximum de la gerbe (Xmax) et un nombre plus faible de muons. Ces deux observables peuvent être mesurées à l’Observatoire Pierre Auger, qui combine, dans un instrument hybride, un détecteur de fluorescence (FD) et un réseau au sol de détecteurs de particules (SD). Dans les événements hybrides, le FD mesure Xmax, tandis que le SD permet d’estimer le contenu en muons. Dans cette thèse, développée au sein de la Collaboration Auger, nous avons conçu une nouvelle variable sensible à la masse, Fμ, liée au contenu muonique de la gerbe, en exploitant la propriété d’universalité des gerbes atmosphériques, en combinaison avec la reconstruction des événements hybrides. Cette nouvelle variable est ensuite combinée avec Xmax, l’observable sensible à la masse par excellence, dans une méthode d’analyse qui augmente le pouvoir de séparation entre photons et hadrons primaires afin de pouvoir identifier des photons d’énergies au-delà de 10¹⁸ eV. Dans le chapitre 1, nous discutons de la phénoménologie des rayons gamma d’ultra-haute énergie, en termes de leur production et de leur propagation, ainsi que du principe de leur détection par la discrimination entre les gerbes atmosphériques générées par des photons et celles produites par des hadrons. Le chapitre 2 se concentre sur l’Observatoire Pierre Auger, décrivant ses caractéristiques techniques et une sélection des principaux résultats obtenus en plus de 15 ans de fonctionnement. Dans le chapitre 3, nous expliquons le concept d’universalité des gerbes atmosphériques et comment il est appliqué pour construire un modèle, basé sur cette universalité, des signaux dans les détecteurs du réseau au sol. Le chapitre 4 introduit la première partie de ce travail de thèse: la construction des simulations et de l’ensemble des données qui sont utilisées dans les chapitres suivants. Une attention particulière est accordée à la procédure de simulation et à la sélection des événements. Dans le chapitre 5, nous utilisons le concept d’universalité, en combinaison avec la reconstruction hybride, pour mettre en place une technique permettant de dériver Fμ à partir du signal enregistré dans les stations SD individuelles. Le potentiel de Fμ comme discriminateur photon-hadron est également évalué. Dès lors, le chapitre 6 décrit la combinaison de Xmax et de Fμ, en utilisant des techniques d’analyse multivariée. Une approche basée sur les données pour l’estimation du fond attendu est exploitée pour dériver la sélection des photons. Enfin, dans le chapitre 7, la sélection des photons est appliquée aux données hybrides. Comme aucun photon d’ultra haute énergie n’est observé, des limites supérieures de leur flux sont obtenues et discutées.