Transcript Présentation de l`expérience

Tomographie du Puy-de-Dôme à l’aide des
muons atmosphériques
Simulation des gerbes atmosphériques et du détecteur ToMuVol
Samuel BÉNÉ
1
Plan
 Présentation de l’expérience ToMuVol
 Problématique et objectifs du stage
 Simulation des gerbes atmosphériques
 Modélisation du détecteur dans GEANT4
 Estimation du bruit des coïncidences accidentelles
2
Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences
ToMuVol
TOmographie MUonique des VOLcans
 Tomographier le Puy-de-Dôme avec les muons atmosphériques
 Intérêt : comprendre la structure et la formation du volcan.
Application aux volcans actifs : signaler les éruptions imminentes et
prédire leur dangerosité
 Trois laboratoires :
• Laboratoire de Physique Corpusculaire (LPC)
• Laboratoire Magmas et Volcans
• Institut de Physique Nucléaire de Lyon
Proches du P.d.D.
 Partenariat entre physiciens des particules, géophysiciens,
volcanologues, informaticiens et même mathématiciens !
3
Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences
Contexte physique
Muons cosmiques
ϕ0(Eμ,α,h)
ϕ(α,r(α,β))
Z (verticale locale)
R(α,β)
Détecteur
Y
α
β
 0 ( E ) 
X
N 0 ( ) 

A=0.701
γ=2.715
 E 
0.14

A
cm .sr .s.GeV  GeV 
2
  ( E )dE
0
E  1GeV
N ( ,  ) 
 En première approximation : E min 



1
0.054


1.1E cos
1.1E cos

1

1


115GeV
850GeV



0
( E )dE
E  min
  (r , ,  )dr
R( , )
ρ(r,α,β) : densité intégrée du volcan le long du parcours du muon
Mesurer N/N0 permet d’accéder à la densité moyenne du volcan
4






Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences
Détecteur ToMuVol
Détecteur à gaz : 4 chambres GRPC en mode C.P. qui
mesurent les positions des muons dans le plan (x,y).
Système de coordonnées pour la reconstruction de
trajectoires :
• Oy = verticale locale
• Puy-de-Dôme à z<0
 Résolution temporelle = 400 ns pour le moment
 Résolution angulaire = R/d = 1cm/1m=10 mrad
 Résolution spatiale sur le Puy-de-Dôme à 1km = 10 m
10m
R=1cm
10 mrad
d=1m
d=1km
5
Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences
Campagnes de mesures
 2 sites : la grotte de la Taillerie et l’auberge du Col de Ceyssat
 Estimations des flux de muons mesurés :
Col de Ceyssat
Grotte Taillerie
1 day
1 week
1 week
1 month
1 month
1 year
1 year
6
Flux mesuré très faible vers la base du volcan : <0.01/(jour.deg2)
Problématique et objectifs
 La qualité de la tomographie dépend entre autres de :
• La connaissance du flux de muons atmosphériques incident sur le
volcan
• La contamination du signal par le bruit de fond
 Objectifs du stage :
• Participer aux simulations informatiques des gerbes et du
détecteur
• Etudier le bruit de fond dû aux coincidences accidentelles grâce à
ces simulations
7
Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences
Gerbes atmosphériques
Rayon cosmique primaire : ~ 88% p | 10% He | 1% noyaux lourds | 1% e-/+
Collision avec un atome de l’atmosphère → hadronique inélastique
π, K, p, …
μ
Particules secondaires énergétiques
γ
π
ν
e+
μ
e-
γ
e+
e+
 Cascades électromagnétiques et hadroniques
 Muons créés par :
• π+- → μ+- ʋμ
(B.R. ~100%)
• K+- → μ+- ʋμ
(B.R. ~64%)
• K0 → π+- μ+- ʋμ
(B.R. ~27%)
• γ → μ+μ(très faible)
e8
Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences
Outils de simulation
 CORSIKA
• Développé pour la simulation des gerbes
• Référence dans ce domaine
 GEANT4
• Utilisé dans un grand nombre d’expériences
• Tout l’environnement est défini par l’utilisateur
• Polyvalence (interactions dans le volcan, le détecteur,…)
Précision de CORSIKA pour θ>85° pas établie
Simulation des gerbes dans GEANT : OK à priori (Interactions particules/matière ≡ Calorimètres)
Simulation des gerbes, du volcan et du
détecteur dans le même code GEANT4
9
Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences
Simulation des gerbes dans GEANT4
 Simulation en cours de développement, pour le moment :
• Atmosphère : OK →1960 couches d’air, de 0 à 120km
• Processus physiques : OK (jusqu’à 100 TeV) → liste QGSP_BERT
γ→μ+μ- manquant : ajouté au cours du stage
• Rayons cosmiques primaires : protons verticaux E = 1, 10, 100 TeV
• Champ magnétique de la Terre à inclure
 En sortie : informations sur le flux de particules à z=870m
Objectif : validation de GEANT4 pour la simulation de gerbes
atmosphériques à haute energie
10
Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences
Comparaisons avec CORSIKA
• Comparaison des profils spatiaux-temporels et en énergie des muons
à z=870m
• Données CORSIKA de référence à partir d’un spectre de R.C.
• Gerbes sélectionnées pour les comparaisons :
GEANT4
CORSIKA
Protons
EG4=1,10,100 TeV
ΘG4=0°
Protons
0.9EG4<ECORSIKA<1.1EG4
ΘCORSIKA<10°
atmosphère
10°
• Coupure Eμ>10GeV pour négliger les effets du champ magnétique
terrestre
11
Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences
Comparaisons avec CORSIKA
N/Ntot
N/Ntot
 Distributions latérales : r = distance par rapport à la position moyenne des
muons de chaque gerbe dans le plan z=870m
Eμ>10GeV
Bon accord entre GEANT4 et CORSIKA
r2
(m2)
r2
12
(m2)
Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences
Comparaisons avec CORSIKA
N/Ntot
N/Ntot
 Distributions en énergie des muons
Eμ>10GeV
Bon accord entre GEANT4 et CORSIKA
E(GeV)
13
E(GeV)
Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences
Comparaisons avec CORSIKA
N/Ntot
N/Ntot
 Distributions temporelles : t = temps d’arrivée des muons dans le plan 870m par
rapport au temps moyen des muons dans chaque gerbe
Eμ>10GeV
Différences significatives → à investiguer
t (ns)
14
t (ns)
Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences
N/gerbe
N/gerbe
Origine des muons dans GEANT4
t (ns)
t (ns)
15
Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences
Coïncidences accidentelles
 Plusieurs particules peuvent traverser les plans de détection en coïncidence
spatio-temporelle :
Gerbe atmosphérique
 Reconstruction d’une “fausse” trace
 Source principale de bruit de fond pour la tomographie
16
Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences
Simulation d’un flux réaliste de R.C. + détecteur
CORSIKA
•
•
•
•
Protons + He
10GeV<E<4000TeV
0<θ<85°
0<φ<360°
GEANT4
Z=120km
Z=870m
 Gerbes CORSIKA au niveau z=870m tirées une par
une sur le détecteur dans GEANT4
17
Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences
Modélisation du détecteur
 Détecteur ToMuVol tel qu’il est simulé dans GEANT4 :
4 plans de 1m2, 28.5cm d’espacement
96 x
28.5cm
Mylar - Graphite - Verre
Freon +SF6+isobutane ~2 a 5%
Verre - Graphite - Mylar Cuivre + PCB +
Electronique
Surface élémentaire de
détection : blocs de cuivre
de 1 cm2
 “Sensitive Detector” dans
G4
18
Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences
Reconstruction de traces
Event GEANT4
Collection de coups
 Recherche du coup de plus haute energie déposée
dans chaque chambre touchée → position et temps pour
chaque coup
 Etalement Gaussien de la position pour reproduire la
multiplicité expérimentale pour les traces de muons (1,3
blocs)
Reconstruction de la trace (moindres
carrés)
 Au moins deux chambres touchées dans
une fenêtre de 400 ns ?
→point d’impact et pente (ax,ay)
19
Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences
Reconstruction des vraies traces
muon
 Bon accord avec les distributions théoriques
20
Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences
Reconstruction des vraies traces
21
Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences
Traces reconstruites à partir des coincidences
accidentelles
22
Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences
Taux de réjection des coïncidences
95% C.L.
Résolution du détecteur ToMuVol : 1cmx1cm à comparer avec 10cmx10cm (Tanaka)
 Meilleure réjection des coïncidences
23
Conclusions et perspectives
 Les gerbes verticales produites avec GEANT4 ont pu être comparées
avec les resultats CORSIKA, du point de vue des muons, à z=870m :
• Bon accord sur les distributions latérales et en énergie
• Divergence sur les distributions temporelles
 Une première estimation du bruit de fond dû aux coïncidences
accidentelles a été realisée, grâce à la modélisation du détecteur dans
GEANT4.
• Le choix de 4 plans de detection est confirmé
 La génération d’un flux réaliste de muons cosmiques, incluant les
gerbes horizontale, peut être directement realisée dans GEANT4
Utilisation d’un logiciel spécialisé pour l’interaction primaire ?
24