Tomographie du Puy-de-Dôme à l’aide des Tomographie du Puy-de-Dôme à l’aide des muons atmosphériquesmuons atmosphériques
Simulation des gerbes atmosphériques et du détecteur ToMuVol
Samuel BÉNÉ
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PlanPlan
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
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ToMuVolToMuVolTOmographie MUonique des VOLcansTOmographie 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
Partenariat entre physiciens des particules, géophysiciens, volcanologues, informaticiens et même mathématiciens !
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Proches du P.d.D.
Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences
Contexte physiqueContexte physique
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Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences
En première approximation : drrER
),,(),(
min
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
A=0.701γ=2.715
Muons cosmiques
Détecteur
ϕ0(Eμ,α,h)
Z (verticale locale)
Y
X
ϕ(α,r(α,β))
α β
R(α,β)
min
)(),( 0
E
dEEN
GeV
E
GeV
EGeV
EA
GeVssrcmE
850
cos1.11
054.0
115
cos1.11
1
...
14.0)(
20
GeVE
dEEN1
00 )()(
Détecteur ToMuVolDétecteur ToMuVol
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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
Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences
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
d=1m
R=1cm
10 mrad
10m
d=1km
Campagnes de mesuresCampagnes de mesures 2 sites : la grotte de la Taillerie et l’auberge du Col de Ceyssat Estimations des flux de muons mesurés :
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Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences
Grotte Taillerie Col de Ceyssat
1 day 1 day
1 week
1 month
1 year
1 week
1 month
1 year
Flux mesuré très faible vers la base du volcan : <0.01/(jour.deg2)
Problématique et objectifsProblématique 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
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Gerbes atmosphériquesGerbes atmosphériques
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γπμ
π, K, p, …
ν
e+
e-γ
e+e+
e-
Rayon cosmique primaire : ~ 88% p | 10% He | 1% noyaux lourds | 1% e-/+
Collision avec un atome de l’atmosphère → hadronique inélastique
Particules secondaires énergétiques
μ
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)
Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences
Outils de simulationOutils 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,…)
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Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences
Précision de CORSIKA pour θ>85° pas établieSimulation des gerbes dans GEANT : OK à priori (Interactions particules/matière ≡ Calorimètres)
Simulation des gerbes, du volcan et du détecteur dans le même code GEANT4
Simulation des gerbes dans GEANT4Simulation 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
• 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
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Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences
γ→μ+μ- manquant : ajouté au cours du stage
• 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 :
• Coupure Eμ>10GeV pour négliger les effets du champ magnétique terrestre
Comparaisons avec CORSIKAComparaisons avec CORSIKA
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Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences
10°
Protons 0.9EG4<ECORSIKA<1.1EG4
ΘCORSIKA<10°
CORSIKA GEANT4
ProtonsEG4=1,10,100 TeVΘG4=0°
atmosphère
Comparaisons avec CORSIKAComparaisons avec CORSIKA
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Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences
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 (m2)
N/N
tot
N/N
tot
Comparaisons avec CORSIKAComparaisons avec CORSIKA
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Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences
Distributions en énergie des muons
Bon accord entre GEANT4 et CORSIKA
Eμ>10GeV
N/N
tot
N/N
tot
E(GeV) E(GeV)
Comparaisons avec CORSIKAComparaisons avec CORSIKA
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Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences
Distributions temporelles : t = temps d’arrivée des muons dans le plan 870m par rapport au temps moyen des muons dans chaque gerbe
Différences significatives → à investiguer
Eμ>10GeV
N/N
tot
N/N
tot
t (ns) t (ns)
Origine des muons dans GEANT4Origine des muons dans GEANT4
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Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidencesN
/ge
rbe
N/g
erb
e
t (ns) t (ns)
Coïncidences accidentellesCoïncidences accidentelles
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Gerbe atmosphérique
Plusieurs particules peuvent traverser les plans de détection en coïncidence spatio-temporelle :
Reconstruction d’une “fausse” trace Source principale de bruit de fond pour la tomographie
Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences
Simulation d’un flux réaliste de R.C. + détecteurSimulation d’un flux réaliste de R.C. + détecteur
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• Protons + He• 10GeV<E<4000TeV• 0<θ<85°• 0<φ<360°
CORSIKA
GEANT4
Gerbes CORSIKA au niveau z=870m tirées une par une sur le détecteur dans GEANT4
Z=120kmZ=870m
Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences
Modélisation du détecteurModélisation du détecteur
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Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences
Détecteur ToMuVol tel qu’il est simulé dans GEANT4 :
4 plans de 1m2, 28.5cm d’espacement
28.5cm
Mylar - Graphite - Verre
Verre - Graphite - Mylar Cuivre + PCB + Electronique
Surface élémentaire de détection : blocs de cuivre de 1 cm2 “Sensitive Detector” dans G4
96 x
Freon +SF6+isobutane ~2 a 5%
Reconstruction de tracesReconstruction de traces
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Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences
Event GEANT4Collection 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)
Au moins deux chambres touchées dans une fenêtre de 400 ns ?
Reconstruction de la trace (moindres carrés)
→point d’impact et pente (ax,ay)
Reconstruction des vraies tracesReconstruction des vraies traces
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Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences
muon
Bon accord avec les distributions théoriques
Reconstruction des vraies tracesReconstruction des vraies traces
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Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences
Traces reconstruites Traces reconstruites à partir des coincidences partir des coincidences accidentellesaccidentelles
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Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences
Taux de réjection des coïncidencesTaux de réjection des coïncidences
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Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences
Résolution du détecteur ToMuVol : 1cmx1cm à comparer avec 10cmx10cm (Tanaka)
Meilleure réjection des coïncidencescoïncidences
95% C.L.
Conclusions et perspectivesConclusions et perspectives
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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 ?
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