1 30 Juin 2005Arnaud Bellétoile - Semaine SF2A Strasbourg N S E W CODALEMA COsmic ray Detection Array with Logarithmic ElectroMagnetic Antennas Arnaud

30 Juin 2005 Arnaud Bellétoile - Semaine SF2A Strasbourg 1

N

S E

W

CODALEMACODALEMACOsmic ray Detection Array with Logarithmic ElectroMagnetic AntennasCOsmic ray Detection Array with Logarithmic ElectroMagnetic Antennas

Arnaud Bellétoile

Pour la collaboration CODALEMA

SUBATECH - Université de Nantes - EMN - IN2P3Observatoire de Paris-Meudon, Station de Nançay -

INSULAL - IN2P3

ESEOLPSC Grenoble - IN2P3


SommaireSommaire

1.1. Origine et caractéristiques du Origine et caractéristiques du signal attendusignal attendu

2.2. Statut de Codalema a la Statut de Codalema a la dernière semaine SF2Adernière semaine SF2A

3.3. Procédure de discrimination des Procédure de discrimination des évènements gerbesévènements gerbes

4.4. Premières analysesPremières analyses


RadiodétectionRadiodétection

• • Direction d’arrivéeDirection d’arrivéeTriangulation du signal entre plusieurs antennesTriangulation du signal entre plusieurs antennes

• • Énergie du primaire Énergie du primaire Proportionnelle au champ électriqueProportionnelle au champ électrique

• • Nature du primaire Nature du primaire XXMAXMAX, profil du champ électrique, profil du champ électrique


Origine du champ électriqueOrigine du champ électrique

• Excès de charge: e-/e+monopole

•Effet géomagnétique F=qVxBdipôle

-+

Emission dipôlaire Emission Synchrotron Emission Cerenkov

t(s)

E(

V/m

) E

(V

/m)

Pour vT=0.2 c 10 fois + fort que

pour l’excès de charge

excès de charge: 10 %

Gerbe verticale E = 1020 eV

Encore plus favorable pour Encore plus favorable pour

les Gerbes inclinées les Gerbes inclinées


Simulation @ 10Simulation @ 102020 eV eVGerbe verticaleGerbe verticale

(excès de charge seul) (excès de charge seul) amplitude => amplitude => énergieénergiedurée => durée => paramètre paramètre d’impactd’impactforme => forme => Nature du Nature du primaireprimaire

SENSIBLE au XSENSIBLE au XMAXMAX XMAX à 1700mXMAX à 1700m

Charge Excess=10 %

Détection à large distance

Antennes large bandeAntennes large bande


Simulation @ 10Simulation @ 101717 eV eVGerbe verticaleGerbe verticale

petit paramètre d’impactpetit paramètre d’impact

H. R. Allan (1971) :H. R. Allan (1971) :

pkpk~150 ~150 V/mV/mFWHM duration ~ 8 nsFWHM duration ~ 8 ns

spectre platspectre plat

•Antennes bande Antennes bande étroiteétroite•Petit champ d’antennePetit champ d’antenne

Set Up actuel à NançaySet Up actuel à Nançay


Nançay 1-120 MHzNançay 1-120 MHz

Nantes 1-120 MHzNantes 1-120 MHz

FormeForme du spectre de l’impulsion du spectre de l’impulsion(pas à l’échelle)(pas à l’échelle)

Triggering & time taggingTriggering & time tagging

Le ciel à NançayLe ciel à Nançay


Taux de trigger en stand alone 33-Taux de trigger en stand alone 33-65MHz65MHz

Connaissance du fond radio impulsionnel

Conditions atmosphériquesAlternance jour-nuitActivité humaine

Activité solaire

•Taux très bas< 1 Hz•100 % cycle utile

5 mV 10 mV

Trigger radio autonomepossible


Event topology

Avec une antenne en trigger:Avec une antenne en trigger: SeulementSeulement 1 candidat pour 25 H en utilisant une bande 1 candidat pour 25 H en utilisant une bande restreinte 24-80 MHzrestreinte 24-80 MHz (paramètres du signal : 0.4 mV/m, 4 ns temps de monté: (paramètres du signal : 0.4 mV/m, 4 ns temps de monté: compatible avec la théorie)compatible avec la théorie)Efficacité de détection trop faible en 1-100 MHz à cause de Efficacité de détection trop faible en 1-100 MHz à cause de

la dynamique des ADC 8 bits la dynamique des ADC 8 bits => Flash ADC Matacq 12 Bits => Flash ADC Matacq 12 Bits

Candidat selectionsCandidat selections


Set Up de l’experienceSet Up de l’experience

N

S E

W

Antennas

Particle detectors

Acquisition room

87 m

87 M87 M

608 m608 m

1.5 m1.5 m

1.5 m1.5 m

PM under copper housingPM under copper housing

Plastic scintillatorPlastic scintillator

Coïncidence 4 Scintillateurs =>

Trigger

Filtrage Off-lineFiltrage Off-line


Caractéristiques du TriggerCaractéristiques du Trigger

Surface active: 7000 mSurface active: 7000 m22

Tx comptage: 0.7 evt/minTx comptage: 0.7 evt/min

Limite Zénithale0° < <60°

Pas de limite

Azimutale

Acceptance estiméeAcceptance estimée16000 m16000 m22.sr.sr

Seuil en énergie du TriggerSeuil en énergie du Trigger1.101.101515 eV eV


Candidats gerbes:0° < <60°

Répartition des évènements Répartition des évènements antennesantennes

Évènements “bruit”:Anthropique

•Répartition inhomogène•Bas sur l’horizon

+ soleil + orages +…

Seuil en énergie du trigger bas

=> 1 Evt antenne reconstruit / 2h


Distribution en tempsDistribution en temps

““Antennas” time – “Particles” Antennas” time – “Particles” timetime

Distribution piquée (<100ns)Distribution piquée (<100ns)

Candidats gerbesCandidats gerbes

Distribution plate Distribution plate

Événements fortuitsÉvénements fortuits

Écart de temps d’arrivée du front entre scintillateurs et antennes


Corrélation des directions d’arrivéeCorrélation des directions d’arrivée

1 1 evt / jourevt / jourAcceptance Acceptance ScintillateurScintillateur

Seuil en énergie de Seuil en énergie de l’instrument ~l’instrument ~ 5.10 5.101616

eVeV

sin(sin().Gaussia).Gaussiann

= 4°= 4°

direction “Antennes”– direction “Particules”direction “Antennes”– direction “Particules”


Topologie du champ électriqueTopologie du champ électrique

Extension du Chp EExtension du Chp E

> 600 m @ > 600 m @ ~ 5.10~ 5.101616 eV eV

Multiplicité Multiplicité variablevariable sur le champ sur le champ d’antennesd’antennes

=> Nécessité d’agrandir le réseau d’antenne

Amplitudes mesurées:Amplitudes mesurées:

de 1 à 25 de 1 à 25 V/m/MHz V/m/MHz

[40 - 70 MHz][40 - 70 MHz]


Discrimination sur critère radioDiscrimination sur critère radio

Profil du champ E Profil du champ E très caractéristique très caractéristique

pour les gerbespour les gerbes

Seuil de Seuil de l’instrumentl’instrument

Évènement fortuitÉvènement fortuit

(source anthropique (source anthropique identifiée)identifiée)

Critère de sélectio

n radio

Critère de sélectio

n radio


Position du point d’impact Position du point d’impact (préliminaire)(préliminaire)

Estimation du cœur de gerbe (barycentre)


Position du cœurPosition du cœur

=>Projection des =>Projection des points dans le points dans le

repère de la gerberepère de la gerbe

Fit exponentiel :Fit exponentiel :

EE((d d ) = ) = EE00 exp exp[ ]-d -d dd00

Compatible avec des barres Compatible avec des barres d’erreur de 20 %d’erreur de 20 %

Dépendance du Champ E Dépendance du Champ E (préliminaire) (préliminaire)

EE= 14 µV/m/MHz= 14 µV/m/MHz

dd= 216 m= 216 m(signal 37-70 MHz)(signal 37-70 MHz)


ConclusionConclusionInstrument opérationnelInstrument opérationnel

Détecte la contribution radio des gerbes atmosphériquesDétecte la contribution radio des gerbes atmosphériquesSeuil statistique E ~ 5.10Seuil statistique E ~ 5.101515 eV eVPrincipe de radiodétection autonome validéPrincipe de radiodétection autonome validé

Développement de l’instrumentDéveloppement de l’instrumentAgrandissement du champ d’antenne (axe Nord-Sud)Agrandissement du champ d’antenne (axe Nord-Sud)Ajout de détecteurs de particules Ajout de détecteurs de particules

Vers les très hautes Vers les très hautes énergiesénergies

Antennes dipôles autonomesAntennes dipôles autonomesDéploiement sur un détecteur géant Déploiement sur un détecteur géant (Auger) (Auger)

Modèle théoriqueModèle théoriqueÉnergie & Nature du primaireÉnergie & Nature du primaire


And when there are no pulses ?And when there are no pulses ?

Correlation Correlation productproduct

tt


(Preliminary) phasing(Preliminary) phasingDelays between antennas Delays between antennas plane wave fit plane wave fit wave wave directiondirection

Azimuth (0° north)Azimuth (0° north)

Ele

vati

on

(0

° h

ori

zon

)E

levati

on

(0

° h

ori

zon

)

SunSun

(Low elevation)(Low elevation)

Systematic error or refraction ? (~3°)Systematic error or refraction ? (~3°)


Solar activity as seen by the DAM on 2005/01/15Solar activity as seen by the DAM on 2005/01/15


Particles + antennas Particles + antennas eventsevents

Energy deposited in stationsEnergy deposited in stations

=> No correlation => No correlation between PM and between PM and

antenna antenna Scintillator signal D32 (V)Scintillator signal D32 (V)

Correlation Correlation Max antenna/ scintillator signal Max antenna/ scintillator signal

(Am

plitu

de M

ax)

(Am

plitu

de M

ax)22

An

ten

ne D

32

(V

) A

nte

nn

e D

32

(V

)

scintillators – antennasscintillators – antennas Interactions Interactions


La radiodétection1962: Prédiction théorique - effet Askar’yan

1964-65: Première expérience - T.C. Weekes

Milieu 70 ’: Méthode délaissée difficultés d’interprétation et de détection + succès d’autres techniques

Fin 90 ’: Redécouverte dans milieux denses (glace, sel) =>neutrinos

En 1999: preuve du principe sur accélérateur (sable, D. Saltzberg,)

En 2000 : Expérience sur CASA-MIA (K.Green et al., 2003, N.I.M. A, 498)

Expérience LOPES sur KASCADE Expérience CODALEMA de SUBATECH

En 2002

En 2005 : H. Falcke et al., Nature, May 19, 2005 P. Lautridou et al. NIM A, 2005 & astro-ph 2003-2004-2005


Preliminary results of the second phase

The entire shower development The entire shower development is seen by every fired antenna is seen by every fired antenna (no statistical effect)(no statistical effect)

Field topology is a decisive Field topology is a decisive criterion of selection in stand criterion of selection in stand alone modealone mode

NOW Waveform analysis + Field Topologies + Theoretical models

=>Energy=>Nature

Evidence for radio signal associated with CR Air ShowersEvidence for radio signal associated with CR Air Showers Operating instrumentOperating instrument


Bilan à la semaine SF2A 2004

Détection de transitoire radio

•Trigger autonome

Reconstitution de la direction d’arrivée d’un front onde

•Triangulation

Cycle Utile 100%

Phénomènes impulsionnels

•Conditions atmosphériques

•Activité solaire

•Activité humaine

Tx trigger ~ 1Hz Incapacité de discriminer un

évènement gerbe

Documents

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