Tomographie muonique : du développement de détecteurs à la résolution du problème inverse

This thesis presents the development of Micromegas gaseous detectors for muon tomography. This technique use cosmic muons, resulting from interactions between cosmic rays and the atmosphere to image objects of large dimensions and opacity such as buildings, concrete slabs, volcanoes or pyramids such as the Khufu's pyramid in Egypt. By studying the attenuation of the muon flux through objects, we can access their internal structure. To image such structures and detect muons passing through them, muon telescopes using Micromegas detectors are used. Many efforts have been developed during this thesis to improve the spatial resolution and gas performance of the latter.One of the main goal of this thesis is to image a concrete slab, which dimensions were 2000 mm x 1000 mm x 500 mm. Firstly, a study on the detection of defects in this slab was carried out. Thanks to an algorithm developed during this thesis, a 15cm wide default can be detected with a 98% confidence level from 4h of data collection. Subsequently, a two-dimensional feasibility study, in the plan of the slab length, was carried out in order to reconstruct the density map of the concrete slab. To do this, we need to solve what is commonly referred to as the inverse problem: estimating the parameters of an object based on the data collected. Here the density of the concrete slab will play the role of parameters to be estimated and the flux of muons that have passed through the slab and collected by our detectors will play the role of data. After analysing the different systematic problem analyses, we can reconstruct the density of a concrete slab, with a thickness resolution of 125mm and a length resolution of 437.5mm, with a maximum relative error of 12%.Cette thèse porte sur le développement des détecteurs gazeux Micromegas pour la tomographie muonique. Cette technique permet d’utiliser les muons cosmiques issus des interactions entre des rayons cosmiques et l’atmosphère, afin d’imager des objets de grandes dimensions et de grande opacité tels que des bâtiments, des dalles de béton, des volcans ou encore des pyramides comme la pyramide de Khéops en Égypte. En étudiant l’atténuation du flux de muons à travers un objet, nous pouvons obtenir des informations sur sa structure interne. Pour imager de telles structures et détecter les muons qui les traversent, des télescopes muoniques utilisant des détecteurs Micromegas sont utilisés. Les travaux effectués pendant cette thèse ont eu pour but d'améliorer les performances en résolution spatiale et en gaz de ces détecteurs.Un des objectifs de cette thèse a été d’imager une dalle de béton de 2 m de longueur, 1 m de largeur et 50 cm d’épaisseur. Dans un premier temps, nous avons réalisé une étude sur la détection de défauts dans cette dalle. Grâce à un algorithme développé pendant cette thèse, un trou de 15 cm de côté peut être détecté avec un niveau de confiance de 98% à partir de 4h de prise de données. Par la suite, nous avons réalisé une étude de faisabilité en deux dimensions, dans le plan de la longueur de la dalle, afin de pouvoir reconstruire la carte de densité de la dalle de béton. Pour ce faire, nous avons dû résoudre ce qu'on appelle le problème inverse : l’estimation des paramètres d’un objet en fonction des données collectées. Ici la densité de la dalle de béton joue le rôle de paramètres à estimer et le flux de muons ayant traversés la dalle et collectés par nos détecteurs celui de données. Après analyses des différentes systématiques du problème, nous pouvons reconstruire la densité d’une dalle de béton, avec une résolution en épaisseur de 125 mm et une résolution en longueur de 437.5 mm, avec une erreur relative maximale de 12%

Muon tomography : from detectors development to inverse problem resolution

Cette thèse porte sur le développement des détecteurs gazeux Micromegas pour la tomographie muonique. Cette technique permet d’utiliser les muons cosmiques issus des interactions entre des rayons cosmiques et l’atmosphère, afin d’imager des objets de grandes dimensions et de grande opacité tels que des bâtiments, des dalles de béton, des volcans ou encore des pyramides comme la pyramide de Khéops en Égypte. En étudiant l’atténuation du flux de muons à travers un objet, nous pouvons obtenir des informations sur sa structure interne. Pour imager de telles structures et détecter les muons qui les traversent, des télescopes muoniques utilisant des détecteurs Micromegas sont utilisés. Les travaux effectués pendant cette thèse ont eu pour but d'améliorer les performances en résolution spatiale et en gaz de ces détecteurs.Un des objectifs de cette thèse a été d’imager une dalle de béton de 2 m de longueur, 1 m de largeur et 50 cm d’épaisseur. Dans un premier temps, nous avons réalisé une étude sur la détection de défauts dans cette dalle. Grâce à un algorithme développé pendant cette thèse, un trou de 15 cm de côté peut être détecté avec un niveau de confiance de 98% à partir de 4h de prise de données. Par la suite, nous avons réalisé une étude de faisabilité en deux dimensions, dans le plan de la longueur de la dalle, afin de pouvoir reconstruire la carte de densité de la dalle de béton. Pour ce faire, nous avons dû résoudre ce qu'on appelle le problème inverse : l’estimation des paramètres d’un objet en fonction des données collectées. Ici la densité de la dalle de béton joue le rôle de paramètres à estimer et le flux de muons ayant traversés la dalle et collectés par nos détecteurs celui de données. Après analyses des différentes systématiques du problème, nous pouvons reconstruire la densité d’une dalle de béton, avec une résolution en épaisseur de 125 mm et une résolution en longueur de 437.5 mm, avec une erreur relative maximale de 12%.This thesis presents the development of Micromegas gaseous detectors for muon tomography. This technique use cosmic muons, resulting from interactions between cosmic rays and the atmosphere to image objects of large dimensions and opacity such as buildings, concrete slabs, volcanoes or pyramids such as the Khufu's pyramid in Egypt. By studying the attenuation of the muon flux through objects, we can access their internal structure. To image such structures and detect muons passing through them, muon telescopes using Micromegas detectors are used. Many efforts have been developed during this thesis to improve the spatial resolution and gas performance of the latter.One of the main goal of this thesis is to image a concrete slab, which dimensions were 2000 mm x 1000 mm x 500 mm. Firstly, a study on the detection of defects in this slab was carried out. Thanks to an algorithm developed during this thesis, a 15cm wide default can be detected with a 98% confidence level from 4h of data collection. Subsequently, a two-dimensional feasibility study, in the plan of the slab length, was carried out in order to reconstruct the density map of the concrete slab. To do this, we need to solve what is commonly referred to as the inverse problem: estimating the parameters of an object based on the data collected. Here the density of the concrete slab will play the role of parameters to be estimated and the flux of muons that have passed through the slab and collected by our detectors will play the role of data. After analysing the different systematic problem analyses, we can reconstruct the density of a concrete slab, with a thickness resolution of 125mm and a length resolution of 437.5mm, with a maximum relative error of 12%

Discovery of a big void in Khufu’s Pyramid by observation of cosmic-ray muons

International audienceThe Great Pyramid or Khufu’s Pyramid was built on the Giza Plateau (Egypt) during the IVth dynasty by the pharaoh Khufu (Cheops), who reigned from 2509 to 2483 BC$^1$ . Despite being one of the oldest and largest monuments on Earth, there is no consensus about how it was built. To better understand its internal structure, we imaged the pyramid using muons, which are by-products of cosmic rays that are only partially absorbed by stone. The resulting cosmic-ray muon radiography allows us to visualize the known and potentially unknown voids in the pyramid in a non-invasive way. Here we report the discovery of a large void (with a cross section similar to the Grand Gallery and a length of 30m minimum) above the Grand Gallery, which constitutes the first major inner structure found in the Great Pyramid since the 19$^{th}$ century. This void, named ScanPyramids Big Void, was first observed with nuclear emulsion films installed in the Queen’s chamber (Nagoya University), then confirmed with scintillator hodoscopes set up in the same chamber (KEK) and re-confirmed with gas detectors12 outside of the pyramid (CEA)This large void has therefore been detected with a high confidence by three different muon detection technologies andthree independent analyses. These results constitute a breakthrough for the understanding of Khufu’s Pyramid and its internal structure. While there is currently no information about the role of this void, these findings show how modern particle physics can shed new light on the world’s archaeological heritag