Study of the energy and the radio emission point of cosmic rays
Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA
Résumé
The purpose of the CODALEMA experiment, installed at the Nançay Radio Observatory (France), is to study the radio-detection of ultra-high-energy cosmic rays. Distributed over an area of 0,25 km2, the original device uses in coincidence an array of particle detectors and an array of short antennas. A new analysis of the energy reconstruction from radio data obtained with this device is presented. We suggest that an energy resolution of less than 20% can be achieved and that, not only the Lorentz force, but also another contribution proportional to all charged particles generated during the shower development, could play a significant role in the amplitude of the electric field measured by the antennas (as an effect of coherence or of charge excess). Since 2011, a new array of radio-detectors, consisting of 60 stand-alone and self-triggered stations, has been in deployment over an area of 1.5 km2 around the first device. This new development leads to specific challenges which are discussed in terms of recognition of cosmic rays and reconstruction of the curvature of radio wave fronts. For commonly-used minimization algorithms, we emphasize the importance of the convergence process induced by the minimization of
a non-linear least squares function that affects the results in terms of degeneration of the solutions. We derive a simple method to obtain a satisfactory estimate of the location of the apparent emission source, which mitigates the problems previously.
Le but de l’expérience CODALEMA, installée à l’observatoire de radioastronomie de Nançay (France), est d’étudier la radiodétection des rayons cosmiques d’ultrahaute énergie. Le dispositif initial, réparti sur une aire de 0, 25 km2, utilise en coïncidence un réseau des détecteurs de particules et un réseau d’antennes. Utilisant cet appareillage, une nouvelle analyse visant à estimer l’énergie de la gerbe à partir des données radio est présentée. Nous déduisons qu’une résolution en énergie meilleure que 20% peut être atteinte et que, non seulement la force de Lorentz, mais aussi une contribution proportionnelle à la charge totale produite dans la gerbe atmosphérique joue un rôle significatif dans l’amplitude du champ électrique mesuré par les antennes (effet de cohérence ou d’excès de charge). Depuis 2011, un nouveau réseau de détection radio, constitué de 60 stations autonome auto-déclenchées est en déploiement sur une superficie de 1, 5 km2 autour du dispositif initial. Ce développement conduit à des défis spécifiques en termes d’identification des gerbes atmosphériques et de reconstruction de la courbure des fronts d’onde radio. Concernant la localisation de la source apparente de l’émission radio, pour les algorithmes de minimisation courants, nous soulignons l’importance du processus de convergence induit par la minimisation d’une fonction non linéaire des moindres carrés qui peut induire une dégénérescence des solutions. Une méthode alternative d’estimation est proposée.
Domaines
Astrophysique [astro-ph]
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