Study of the diffuse emissions with the H.E.S.S. experiment
Études des émissions diffuses avec l'expérience H.E.S.S.
Résumé
The High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) experiment is an array of five Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes (IACT) located in the Southern Hemisphere, whose primary goal is the study of cosmic gamma-rays in the few tens of GeV - tens of TeV energy range. The detection technique used by IACT as well as the specificities of the reconstruction method of H.E.S.S. I (first phase of the H.E.S.S. experiment) are fully described in this document. After more than ten years of activity, the H.E.S.S. experiment has registered a large amount of data. In addition to the regions of interest that its detectors probe and where astrophysical sources were unveiled, many events collected provide useful information on their surrounding environment. Indeed, acting as a background to the active sources, one can find the diffuse emissions, which are not well understood and yet are of significant interest for astrophysics, particle physics, cosmology and even physics beyond the standard model, such as the search for new particles in the framework of the study of the nature of dark matter. The diffuse emissions and their previous studies are presented in this document, as well as their possible origin, starting from the acceleration of cosmic-rays mechanism and the gamma-ray production in the active sources or from secondary process involving cosmic-rays interactions in the interstellar medium.
In this work, tools to investigate the diffuse emissions were developed and implemented. The approach aims at disentangling the different components of the studied data so as to extract an estimation of their proportion and their weight in the spectrum. The method is based on probability density functions built with discriminant variables. The necessary preliminary study and treatment of the discriminant variables is also detailed. The resulting concentrations of each type of particle are presented, in addition to the first estimation of an upper limit on the extragalactic diffuse gamma-ray emission flux at TeV energies. A well known astrophysical source is used as benchmark for the analysis. Indeed, through the modelization of its reconstructed image and the subsequent estimation of its intensity, the developed method’s capability to disentangle particles can be evaluated. Lastly, two ways of reconstructing the diffuse electrons and hadrons spectra are explained and the results discussed.
L’expérience High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) est un réseau de cinq télescopes à imagerie Cherenkov atmosphérique, localisé dans l’hémisphère sud, ayant pour but principal l’étude de rayons cosmiques couvrant une gamme d’énergie de quelques dizaines de GeV à plusieurs dizaines de TeV. La technique de détection Cherenkov ainsi que les spécificités de la méthode de reconstruction employée par H.E.S.S. I (première phase de l’expérience H.E.S.S.), sont décrites dans ce document. Après plus de dix ans d’activité, l’expérience H.E.S.S. a enregistré une quantité de données importante. En plus des régions d’intérêts sondées par ces détecteurs, où des sources astrophysiques ont déjà été dévoilées, l’étude d’événements collectés permet d’améliorer la compréhension de leur environnement sous-jacent. En effet, des émissions diffuses encore non-comprises se superposent aux rayonnements provenant de sources actives. Elles sont pourtant d’un intérêt significatif en astrophysique, physique des particules, cosmologie et même dans certains domaines de physique au-delà du modèle standard, tel que la recherche de nouvelles particules à trouver dans le cadre de l’étude de la nature de la matière noire. Les émissions diffuses et leurs précédentes études sont présentées dans ce document, ainsi que leurs possibles origines, depuis les mécanismes d’accélération de rayons cosmiques jusqu’à la production de rayon gamma dans les sources actives ou encore par des processus secondaires impliquant les interactions de rayons cosmiques avec le milieu interstellaire.
Dans ce travail, des outils pour étudier les émissions diffuses ont été développés et mises en œuvre. L’approche choisie permet de distinguer les différentes composantes dans les données étudiées et d’extraire une estimation de leur proportions et de leur poids dans le spectre. La méthode se base sur des fonctions de densité de probabilité construites à partir de variables discriminantes. L’étude et le traitement préliminaires nécessaires des variables discriminantes sont également détaillées. Les concentrations résultantes pour chaque type de particule sont présentées, ainsi que la première détermination d’une limite supérieure sur le flux de l’émission diffuse gamma extragalactique au TeV. Une source astrophysique connue est utilisée comme référence pour l’analyse; en utilisant la modélisation de la morphologie du signal détecté pour estimer son intensité, la capacité de discrimination de la méthode développée peut être évaluée. Pour finir, deux façons de reconstruire le spectre des électrons et hadrons diffus sont expliquées et les résultats discutés.
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