Imagerie densitométrique 3D des volcans par muographie

La muographie est une technique d’imagerie en physique des particules où les muons atmosphériques traversant une cible sont utilisés pour déterminer des informations de l’intérieur de la cible : distribution de la densité ou composition chimique via le numéro atomique. En fonction de l’énergie des muons et de la quantité de matière à traverser, il y en a qui vont survivre et d’autres qui vont être arrêtés par la cible. Et, la diffusion des muons dépend, en première approximation, de leur impulsion et du numéro atomique moyen le long de leur parcours de vol. La muographie propose, à partir de la mesure de la transmission et/ou de la diffusion des muons à travers la cible, de fournir des informations sur son intérieur.Il existe actuellement deux types de muographie : la muographie par transmission où le flux transmis des muons à travers la cible est mesuré pour inférer la distribution de densité de la cible et la muographie par diffusion où la diffusion des muons à travers la cible est utilisée pour déterminer la distribution du numéro atomique de la cible. Cette thèse traite de la muographie par transmission pour radiographier les volcans.Dans le cas de la muographie par transmission, un télescope à muons est utilisé pour mesurer le flux transmis des muons atmosphériques à travers la cible. Ce flux est, en première approximation, une fonction bijective de la quantité de matière rencontrée par les muons. L’idée est d’inverser le nombre de muons mesurés en une estimation de la densité de la cible.Il existe d’autres méthodes d’imagerie en géophysique permettant de reconstruire la densité d’une cible. C’est le cas, par exemple, de la gravimétrie et de l’imagerie par sismicité. Ces méthodes dites conventionnelles présentent des faiblesses. Pour ces méthodes, le problème d’inversion est soit mal posé, c’est-à-dire il n’existe pas de solution unique ou la solution présente de grandes variations pour de petites variations des paramètres dont elle dépend. Un ensemble de contraintes supplémentaires sont alors ajoutées pour enlever la non-unicité.En muographie par contre, le problème d’inversion est bien posé et la solution est unique. Les méthodes conventionnelles en géophysique ne permettent pas, à elles seules, de déterminer la densité de la cible. Jointes avec la muographie, elles présentent de gros potentiel, soit en fournissant d’autres informations sur la roche et/ou sur la nature de l’eau, soit en améliorant la précision sur la reconstruction de la densité de la cible.Plusieurs expériences utilisent l’approximation CSDA (Continuous Slowing Down Approximation) pour estimer la probabilité de survie des muons à travers une cible. Le fait d’utiliser cette approximation, donc de négliger le caractère stochastique de l’interaction des muons avec la matière, sous-estime la probabilité de survie des muons et par conséquent induit des effets systématiques sur la reconstruction de la densité. Dans les kilomètres de roche standard l’effet est de 3% - 8% en fonction de la modélisation de l’interaction des muons de hautes énergies avec la matière. En outre, une mauvaise estimation du bruit de fond des muons de basse impulsion qui affectent la mesure du signal résulte en une sous-estimation de la densité de la cible par rapport à la gravimétrie. Cela vient probablement de l’utilisation de l’approximation analytique pour simuler la propagation des muons à travers la cible et de la difficulté de rejeter dans la mesure ceux de basse impulsion. Pour ces raisons, dans l’expérience MIM (Muon IMaging) (où cette thèse a été réalisée), nous utilisons un traitement Monte Carlo pour simuler le transport des muons à travers la cible. Dans ce cas, nous pouvons estimer précisément l’effet de ces muons de basse impulsion sur la reconstruction de la densité. (...)