Contribution au développement de nouvelles techniques pour la détection des rayonnements cosmiques

Contribution to the development of new techniques for cosmic rays detection

¹ IRNEN, Bulgarian Academy of Sciences, Tsarigradsko chaussé 72, 1784 Sofia, Bulgarie
² CREST (UMR 6000 CNRS), Pôle universitaire, B.P. 71427, 25211 Montbéliard, France
³ Université Neofirt Rilski, Département de Physique, Blagoevgrad, Bulgarie

Reçu : 18 Juin 2002
Accepté : 31 Janvier 2003

Résumé

Les investigations du rayonnement cosmique font partie à la fois de la physique des particules élémentaires, de l'astrophysique, de l'environnement, de la radioprotection et des techniques instrumentales liées à toutes ces disciplines. L'évolution technique et scientifique actuelle met de plus en plus souvent l'homme et le matériel dans des conditions d'exposition radiative quasipermanente (espace - énergétique - milieu médical - applications industrielles). Le développement des techniques de détection et la bonne connaissance des champs de rayonnement représentent en général une base essentielle pour une radioprotection efficace et préventive. Les études effectuées au cours de ce travail ont mis en évidence de nombreux phénomènes tels que les cascades électromagnétiques ou l'effet Tcherenkov. Les variations du rayonnement cosmique peuvent être évaluées avec un télescope muonique et des détecteurs Tcherenkov à base d'eau. De plus, la détection des particules les plus énergétiques du rayonnement cosmique peut être basée sur l'enregistrement des photons Tcherenkov créés dans l'atmosphère. Ainsi, ces nouvelles techniques jouent un rôle déterminant dans la recherche du spectre et la composition du rayonnement cosmique primaire. Ce travail a permis l'utilisation de différents codes Monte-Carlo pour simuler des cascades électromagnétiques et hadroniques dans différents milieux (EGS4 et CORSIKA 5.62). La partie “ utilisateur ” du code EGS4 a été complétée par l'effet Tcherenkov pour modéliser cet effet dans l'eau et simuler la réponse d'un détecteur concret. Les résultats obtenus ont permis d'estimer l'efficacité du télescope muonique développé à l'université de Blagoevgrad en Bulgarie et des études expérimentales liées à ce modèle ont servi à optimiser le fonctionnement du télescope muonique et donc à améliorer ses performances. Différentes caractéristiques des grandes gerbes de l'air, plus précisément la fonction de la distribution latérale du rayonnement Tcherenkov ont été obtenues par le code CORSIKA 5.62. Une approximation analytique a été trouvée. Une méthode basée à la fois sur la solution d'un problème inverse et sur l'enregistrement des photons Tcherenkov a été proposée pour déterminer la composition du rayonnement cosmique et pour estimer son spectre.

Abstract

Contribution to the development of new techniques for cosmic rays detection. The researches about cosmic rays belong to the domain of elementary particle physics, environment, astrophysics, radiation protection and of the instrumental techniques connected to these scientific disciplines. Current technical and scientific evolution more and more often puts the man and the material in the conditions of radiative exposure almost permanent (energy, space, medical environment, industrial applications). The development of detection techniques and the good knowledge of the fields of radiation represent a base of essential data for an effective radiation protection. Many phenomena such as electromagnetic showers, Cerenkov effect have been highlighted by the studies made about this paper. The development of this domain is rapidly expanding for some years. The investigations of the cosmic ray variations can be made using a muonic telescope with water Cerenkov detectors and also the detection of the most energy particles of the cosmic rays is based on atmospheric Cerenkov technique. The application of new techniques is important to resolve problems such the composition and the spectrum of the primary cosmic radiation. This work has used various Monte Carlo codes to simulate electromagnetic and hadronic showers in different media (EGS4 and CORSIKA 5.62). The user part of the EGS4 code was completed by the Tcherenkov effect which permits to simulate a concrete detector. The modelling of the Cerenkov effect in water (EGS4) allowed to estimate the efficiency of the muonic telescope developed in Blagoevgrad's University in Bulgaria. The experimental studies connected to this model are the foundation of a methodology to optimise the telescope. Using the CORSIKA 5.62 code the various characteristics of the extensive air showers, specially the lateral distribution function of Cerenkov light, were obtained. An analytical approximation of this distribution was obtained. A methodology based on the solution of an inverse problem and the Cerenkov photons registration were proposed to determine the mass composition of cosmic rays and the estimation of their spectra.