Vendredi 5 juillet 2013, Faculté des sciences de Tunis, Tunisie

1. Laboratoire Subatech
Activités de recherche et d'enseignement
Docteur en physique nucléaire
Laboratoire de physique subatomique et des technologies associées
Université de Nantes
École des mines de Nantes
Concours de recrutement des assistants, Tunisie
Vendredi 4 juillet 2013

2. Autobiographie
-Date de Naissance : 11/01/1985
-Juin 2003 : Baccalauréat (option mathématique), Mention bien et admission à
l'institut préparatoire aux études d'ingénieurs de Tunis-IPEIT (option
mathématique et physique).
-Juillet 2005 : Admis à l'école national des sciences de l'informatique-ENSI
(classé 220 Top 15%) au concours National d'accès aux cycles de formation
d'ingénieurs.
-Juin 2007 : Maîtrise de sciences physiques (option nanosciences/microtechnologies), Institut
préparatoire aux études scientiques et techniques-IPEST (projet Tempus-meda).
-Juin 2007 : Admis au concours d'accès aux cycles d'agrégation de sciences
physiques, Rang : 1.
-Juin 2008 : Admissibilité à l'oral du concours d'agrégation de sciences physiques
(option physique) : 10 points au dessus de la barre d'admissibilité (Échec à
l'oral).
-Juin 2009 : Master 2 recherche en physique subatomique, bourse française du ministère de
l'enseignement supérieur et de la recherche, Université Blaise Pascal Clérmont Ferrand.
-Juin 2013 : Docteur en physique nucléaire de l'université de Nantes/école des mines de
Nantes.

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4. Les rayons cosmiques d'ultra haute énergie (RCUHE)
Plusieurs régions :
- Basses énergies
- Genoux
- Cheville
Plusieurs origines :
- solaire
- galactique
-extragalactique et ?
Plusieurs techniques :
 Directes : Satellites, ballons
 Indirectes : réseaux de détecteurs au sol
(fluorescence, particules, antennes)
Problématiques ouvertes :
Origine ?
Nature ?
Limite ?
Loi de puissance :
Flux ~ E-2,7
T. Stanev

5. Méthodes de détection des RCUHE
Détections des particules au
sol :
 Cuves Cerenkov
 Scintillateurs
Détection de la lumière de
fluorescence
Avantages Inconvénients
Détecteurs au sol Cycle utile de 100% Dépendance aux modèles hadroniques
Grandes surfaces déployées > 1000 km2
Télescopes de
fluorescence
Faible dépendance aux
modèles hadroniques
Détection sur large volume
Cycle utile de 10%

6. γγ
ee e e
γ γee
Cascade électromagnétiqueCascade de pionsCascade de nucléons
γe γe γe
nπ°
2n(Κ±
π±
...hadrons)
Hadrons près du
coeur
Désintégration π±
µ µ µµ
~90% de γ (>50 keV) ~9% d’électrons (>250 keV)
~1% µ (>1 GeV) faible fraction d'hadrons
Sol
z 1ère interaction
Xmax Nmax
Développement de la gerbe atmosphérique

7. Radio-détection des gerbes atmosphériques
9% électrons/positrons
Mécanismes d'émission du signal radio
Effet géomagnétique => déviation des électrons/positrons =>
émission dipolaire, courant transverse, émission synchrotron =>
polarisation linéaire
Excès de charges négatives => variation temporelle => émission
monopolaire => champ radial
+ Effet de cohérence
+ Composante Cerenkov (2010)
Forme du signal radio
Distance
gerbe-antenne
Forme du signal radio

8. L'expérience CODALEMA @ Nancay

9. Dispositif expérimental
24 Antennes dipoles courts
21 pol. Est-Ouest
17 Scintillateurs
Trigger
Mesure de l'énergie
Direction d'arrivée
Pieds de gerbe
Décamétrique
18 groupes de 8
antennes log-
périodiques phasées
30 Stations
Autonomes
2 polar.
Objectif : 60
~ 1 km2
(Ricap 2011)
4 réseaux de détecteurs

10. Méthode de détection : CODALEMA II
Enregistrement de
l'état radio du ciel
Enregistrement de
l'état radio du ciel
Déclenchem
ent

11. Construction des observables physiques
Hypothèse d'un front d'onde planfront d'onde plan
u.x+v.y+w.z+cte = 0
Profil du champ électrique :
Direction d'arrivée :
θ angle zénithal ϕ angle azimuthal
Modèle d'Allan : exponentielle
décroissante :
Ε = ε0
exp(-d/d0
(xc
,yc
))
=> ε0
champ électrique sur l'axe de la gerbe
=> d0
distance de décroissance de la gerbe
=> (xc
,yc
) pieds de gerbe radio
Un transitoire =
- Amplitude du maximum
- Temps du maximum
vecteur d'onde
(u,v,w)

12. Étude complémentaire de la corrélation en
énergie
Objectif : amélioration des résultats
précédemment obtenus
A. Rebai et al., ArXiv:1210.1739, Oct. 2012 (soumis à Astro.ph)
ARENA2012, AIP Conf. Proc. 1535, 99-104 (2013)

13. Mesure de l'énergie de la particule primaire avec
l'observable radio ε0
ε0
Énergie du
primaire Ep
Facteurs de
correction :
+Géomagnétique
+ Excès de charge ?

14. Étude de la corrélation entre Ep
et ε0
Ajustement de ε0
=α. Ep
+ β
σ(Ep
)/Ep
~ 30%
σ(ε0
)/ε0
~ 22% (par Monte-Carlo)
Corrélation dépend :
Erreurs sur Ep
Erreurs sur e0
* Fit linéaire-linéaire
* Erreur gaussienne
* Indépendance entre ε0
et Ep
Distribution des résidus (Ep
-E0
)/Ep
Analyse de σ (Εp
−Ε0
)/Εp
(Pas de fit Gaussien)
Inversion => Energie « radio » E0
E0
= ε0
/α − β/α = a. ε0
+ b

15. La correction « géomagnétique »
Effet géomagnétique :
ε0
~ E.|(vXB)EO
|
ε'0
~ E.|(v'XB)EO
|
=> ε0
→ ε0
/|(vXB)EO
|
Directions proche du champ
géomagnétique => sur-estimation
de l'énergie (Ep
raisonnable)
=> Existence d'une
contribution additionnelle ?

16. Mécanisme additionnel
Hypothèse la plus simple :
Contribution proportionnelle à l'énergie
(i.e charge totale produite dans la gerbe)
ε0
~ E.|(vXB)EO
| + E.c
=> ε0
→ ε0
/ ( |(vXB)EO
| + c )
avec 0 < |(vXB)EO
| < 1 et c > 0
 Pour |(vXB)EO
| ~ 1 et c~0 => meilleure
résolution => dominance de l'effet
géomagnétique |(vXB)EO
|
 Pour |(vXB)EO
| ~ 0 et c grand => meilleure
résolution => dominance de E.c
 70 événements par fenêtre
Critèredequalité
Statistique globale : minimum pour c=0,95 (31%)

17. Synthèse de l'analyse
Interprétations possibles (statistique de 315 événements)
ε0
~ E.|(vXB)EO
| + E.c => indique un mélange de contributions ?
● 1er
terme dépend de l'effet géomagnétique : dominant pour |(vXB)EO
| ~ 1
● 2eme
terme dépend de la charge de la gerbe : dominant pour |(vXB)EO
| ~ 0
=> poids de c augmente quand |(vXB)EO
| décroit
=> mécanisme d'excès des charges ?
=> autre interprétation : ε0
= E.|(vXB)EO
|. ( 1 + c / |(vXB)EO
| )
=> Analogie avec la déflexion dans un champ magnétique ? => déviation plus
grande des particules quand |(vXB)EO
| croit => distance entre particules
augmentent ?
=> effet de cohérence ?

18. Localisation des sources d'émission radio
➢ Motivations
➢ Étude de la fonction objective
➢ Conséquences
A. Rebai et al., ArXiv:1208.3539, Sept 2012 (soumis à Astro.ph)
ARENA2012, AIP Conf. Proc. 1535, 99-104 (2013)

19. Déclenchement radio (trigger radio)
En 3 ansEn 4 jours
Antenne en trigger radio Antennes déclenché par les scintillateurs
Apparition de sources de parasites !!!
Transition des expériences prototypes déclenchées par des détecteurs des particules
vers des réseaux d'antennes auto-déclenchées à grandes surfaces

20. Étude des parasites radio (RFI)
Identifier précisément les sources parasites => les localiser
en position => => hypothèse d'une émission sphérique
Sources anthropiques :
Avions, Lignes électriques, transformateurs,
moteurs électriques...
Sources naturelles : orage, décharges
Atmosphériques...
Un problème à résoudre pour disposer d'une méthode de radio-
détection auto-déclenchée efficace (trigger radio) !

21. Localisation des RFI
►Localisation correcte attendue pour
une reconstruction sphérique :
● Sources immobiles
● Nombre grand d'évènements détectés
+ Effet position de source/réseau
►► Problème de la localisation ?
►►simulations numériques
CODALEMA III
TREND
AERA

22. Modèle et simulation de l'onde sphérique
Réseau test Propagation sphérique
1-Source à une distance Rs
2-Calcul des temps d'arrivée sur le réseau
3-Introduction des erreurs sur le temps
4-Génération de 1000 événements
5-Reconstruction du centre d'émission par
minimisation d'une fonction objective par
simplexe et Levenberg-Marquardt (LVM)

23. Effet de la résolution temporelle
Algorithme de Simplexe : recherche
direct (pas de calcul du gradient)
Effet de l'erreur temporelle
=> recours à une estimation
statistique <distance>
=> apparition d'un bias
σt
=0 ns
σt
=3 ns
σt
=10 ns
Fuseaux de points :
distance : mal reconstruit
Direction (θ, ϕ): reconstruction
satisfaisante

24. Algorithme LVM
Sensibilité aux conditions
initiales pour trouver la
solution
Effet des conditions initiales

25. Synthèse des simulations
Lorsque la résolution temporelle augmente :
 Dégradation de reconstruction => étalement des points
 Apparition d'un biais
=> Nécessité d'une étude détaillée de cette minimisation sphérique
Mais la résolution temporelle n'est pas le seul facteur
● Position relative de la source par rapport au réseau :
✔ Source externe au réseau => mauvaise reconstruction
✗ Source interne au réseau => bonne reconstruction
 Localisation sensible aux algorithmes de minimisation (simplexe, Levenberg-
Marquardt et linear-search)
 Dépendance par rapport aux conditions initiales
 Solutions multiples

26. Démarche suivie
Étude de la convexité de f :
jacobien et hessien
Classification du problème de
localisation dans un cadre plus général
● Problème mal posé au sens du Hadamard
● Problème mal conditionné
Proposition
d'une solution
● Coercivité de la fonction objective
● Critère de Sylvester
Introduction de la notion de l'enveloppe
convexe et du barycentre du réseau
Réseau d'antennes 3D ???
Contourner les algorithmes :
Méthode de recherche directe
Méthode optimale ???

27. Cas du réseau à 2D (source interne)
Pour le réseau 2D : l'enveloppe convexe devient
la surface délimitant le réseau
Cas réel : source à l'intérieur du
réseau surfacique

28. Cas du réseau à 2D (source à l'extérieur)
Présence de minimums locaux sur
une demi-droite
Cas réel : source au sol et à l'extérieur
du réseau surfacique (sources RFI)

29. R(reconstruit)=4000 m R(reconstruit)=9700 m
Tentative de recherche directe
Pour éviter le piégeage dans des minima locaux => recherche directe du minimum
de la fonction dans l'espace de phase calculé sur une grille
1 - Discrétisation de l'espace de phase
2 – Dimensionnement de l'espace => ajustement plan
3 - Calcul de valeur de f la grille
4 - Recherche de minimum absolu
Pistes de travail
Problématiques connexes ? (cf. Géophysique, Téléphonie, GPS...)
Fusion de données (Profil d'amplitude (RLDF) + temps ?)
La méthode reste peut être encore à trouver...

30. L'analyse de l'énergie « radio » a été approfondie
● Indication de plusieurs processus d'émission (excès de charge?, effet de
cohérence?)
● Estimation - minorante - de la résolution en énergie (malgré la statistique et la
simplicité du traitement) ~ 20%
● Perspectives: => LDF radio plus précise (distribution gaussienne, etc) =>
amélioration de la résolution
La reconstruction de la position des sources radio dans le cadre
d'une émission sphérique
● Observation des RFI et simulations => difficultés d'interprétation
● => Étude de la fonction objective:
● Rôle de l'enveloppe convexe des détecteurs / position de la source
● Rôle de la demi-droite (barycentre des antennes touchées - position réelle de la
source)
● => Méthode alternative : calcul réseau espace de phase + recherche minimum
absolue
CONCLUSION

31. Nombre d'heures : 32 heures TPs d'instrumentation nucléaire.
Période : Janvier/2010 - Juin/2010.
Niveau : Élèves-ingénieurs (Option Système et Technologies
Associés aux Réacteurs nucléaires STAR) BAC+4.
Voir attestation dans le dossier de candidature.
Janvier/2010 - Juin/2010 : 12 heures, TDs/Cours, semestre
tremplin pour des étudiants en difficultés L1.
Septembre/2010 - Octobre/2010 : 12 heures, TPs
électronique, étudiants en L1.
Janvier/2011 - Juin/2011 : 24 heures, TPs de modélisation en
physique avec langage C, étudiants en classe prépa intégrée
polytech-Nantes (équivalent L2).
Septembre/2011 - Juin/2012 : 73 heures, TPs électronique et
optique géometrique et TDs/Cours d'optique géométrique,
étudiants en classe prépa intégrée polytech-Nantes. TPs
modélisation en physique avec langage C pour les étudiants en
L2 physique/géophysique.
Enseignement

32. Encadrement
● Stage initiation à la recherche : LECOINTRE Guillaume étudiant en L3
physique. Sujet : Analyses des données issues de l'expérience de radio-
détection des rayons cosmiques d'ultra haute énergie CODALEMA pour la
détermination de rayons des courbures et les centres d'émission des gerbes
Atmosphèriques.
● Travaux d'Initiative Personnelle Encadrée (TIPE) : HAFID Driss étudiant en
classe préparatoire PC au Lycée Clemenceau Nantes. Sujet : mobilité-
mouvement, nous avons choisi d'étudier l'eet d'un champ électromagnétique
aléatoire sur l'accélération de particules chargées avec un cas simplié de
l'équation de Fokker-Planck.
● Projet Master 1 : Chawki Ben Ali : Résolution numérique de l'équation de
chaleur en utilisant une méthode de différence finie.