Quand les muons cosmiques explorent le cœur de la matière

L’utilisation de techniques non destructives est souvent une nécessité en archéologie, mais leur mise en pratique peut parfois être délicate. C’est particulièrement le cas de grandes structures qui sont par nature non transportables, exigeant une technologie mobile et des sondes pénétrantes. La muographie répond parfaitement à ce type de besoins, en utilisant des particules très énergétiques issues du rayonnement cosmique naturel. Grâce à des instruments développés pour la physique des hautes énergies, cette technique permet aujourd’hui de sonder des endroits inaccessibles et inexplorés avec une précision inédite. La découverte récente de plusieurs cavités à l’intérieur de la pyramide de Khéops le démontre : les muons peuvent voir (presque) partout

Détermination de la polarisation des gluons dans le nucléon par la production de hadrons à grande impulsion transverse à COMPASS

L\'objectif principal de l\'expérience COMPASS au CERN est la détermination de la polarisation des gluons dans le nucléon, $\\frac{\\Delta G}{G}$. On mesure pour cela l\'asymétrie d\'hélicité du processus de fusion photon gluon, dans la diffusion de muons polarisés sur une cible de deutérons polarisés. Ce processus peut être sélectionné par la production de hadrons à grande impulsion transverse ($p_T$), ce qui permet de disposer d\'une grande statistique. En contrepartie, la présence d\'un bruit de fond physique complique l\'extraction de $\\frac{\\Delta G}{G}$. Ce mémoire de thèse présente différentes études menées afin d\'optimiser la détermination de $\\frac{\\Delta G}{G}$ dans ce canal. Une étude sur l\'alignement des quelques 200 plans de détection est notamment présentée, améliorant ainsi la résolution du spectromètre. Les performances des 12 détecteurs de type Micromegas ont également été déterminées au cours de la prise de données 2004. Puis, les asymétries obtenues à partir de l\'analyse des données 2002 à 2004 sont calculées, pour différentes variantes de la sélection à grand $p_T$: production de 1 ou 2 hadrons, à petit ou grand $Q^2$. Une optimisation de la sélection a aussi été développée à l\'aide d\'un réseau de neurones. Une étude détaillée de la fausse asymétrie expérimentale est également réalisée. L\'extraction de $\\frac{\\Delta G}{G}$ est ensuite décrite, à partir de simulations Monte Carlo (utilisant PYTHIA ou LEPTO). Pour la première fois, l\'asymétrie des processus dits photons résolus est estimée. Une amélioration de la reconstruction de la fraction d\'impulsion du nucléon portée par le gluon est également proposée, par la reconstruction de \\emph{pseudo-jets}. Enfin, les petites valeurs obtenues pour $\\frac{\\Delta G}{G}$ sont discutées, notamment en termes de contraintes sur la contribution des gluons au spin du nucléon

Développement de télescopes à muons à haute définition et muographie de la Grande Pyramide

International audienceSeveral muon telescopes have been developed in the last years at CEA-Saclay. Benefitting from 15 years of R&D on Micro-Pattern Gaseous Detectors (MPGDs) and from several recent innovations, these telescopes yield unprecedented resolution for real-time instruments, and allow for high-definition muography imaging. As a first application, three of them were deployed around Khufu's Pyramid from 2015 to 2017, showing very good performance and stability in harsh conditions. They also provided the first-ever detection of internal structures of a pyramid from the outside, and participated in the discovery of a large void above the Grand Gallery.Plusieurs télescopes à muons ont été mis au point ces dernières années au CEA-Saclay. Bénéficiant de 15 années de R&D sur les détecteurs gazeux à micro-pistes (MPGDs) et de plusieurs innovations récentes, ces télescopes offrent une résolution inégalée pour des instruments temps réel, et ouvrent la voie à la muographie haute définition. Trois de ces instruments ont été déployés autour de la pyramide de Khéops entre 2015 et 2017, démontrant de très bonnes performances et une grande stabilité dans des conditions particulièrement difficiles. Ils ont également fourni la toute première détection de structures internes d'une pyramide depuis l'extérieur et participé à la découverte d'un grand vide situé au-dessus de la Grande Galerie

Détermination de la polarisation des gluons dans le nucléon par la production de hadrons à grande impulsion transverse à COMPASS

L objectif principal de l expérience COMPASS au CERN est la détermination de la polarisation des gluons dans le nucléon, Delta G / G. On mesure pour cela l asymétrie d hélicité du processus de fusion photon gluon, dans la diffusion de muons polarisés sur une cible de deutérons polarisés. Ce processus peut être sélectionné par la production de hadrons à grande impulsion transverse (p_T), ce qui permet de disposer d une grande statistique. En contrepartie, la présence d un bruit de fond physique complique l extraction de Delta G / G. Cette thèse présente différentes études menées afin d optimiser la détermination de Delta G / G dans ce canal. Une étude sur l alignement du spectromètre est notamment présentée, améliorant ainsi sa résolution. Les performances des 12 détecteurs de type Micromegas ont également été étudiées au cours du run 2004. Puis, les asymétries obtenues à partir de l analyse des données 2002 à 2004 sont calculées, pour différentes variantes de la sélection à grand p_T: 1 ou 2 hadrons, petit ou grand Q^2. Une optimisation de la sélection a aussi été développée à l aide d un réseau de neurones. Une étude détaillée de la fausse asymétrie expérimentale est également réalisée. L extraction de Delta G / G est ensuite décrite, à partir de simulations Monte Carlo (utilisant PYTHIA ou LEPTO). Pour la première fois, l asymétrie des processus dits photons résolus est estimée. Une amélioration de la reconstruction de la fraction d impulsion du nucléon portée par le gluon est également proposée, par la reconstruction de pseudo-jets. Enfin, les petites valeurs obtenues pour Delta G / G sont discutées, dans le cadre de la décomposition en spin du nucléon.The main goal of the COMPASS experiment at CERN is the determination of the gluon polarisation in the nucleon, Delta G / G. For this, the helicity asymmetry of the photon gluon fusion process is measured, in the scattering of polarized muons on a polarised deuteron target. This process can be tagged by the production of hadrons with high transverse momentum (p_T), that allows to get a large statistics. On the other hand, a physical background remains and complicates Delta G / G extraction. This PhD thesis presents different studies performed to optimize the determination of Delta G / G in this channel. In particular, a study of the spectrometer alignment is presented, leading to an improvement of its resolution. Performances of the 12 Micromegas detectors have also been studied during 2004 run. Then, the asymmetries obtained in the analysis of 2002 to 2004 data are calculated, for various high p_T selection: 1 or 2 hadrons, low or high Q^2. An optimization of the selection, based on a neural network, has also been developped.,and a detailed study of the experimental false asymmetry has been performed. Delta G / G extraction is then described, based on Monte Carlo simulations (using PYTHIA or LEPTO). For the first time, the asymmetry of so called resolved photon processes is estimated. An improvement on the reconstruction of nucleon momentum fraction carried by the gluon is also proposed, by reconstructing pseudo-jets. Finally, small values obtained for Delta G / G are discussed, within the framework of the nucleon spin decomposition.ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF

Current Status and Future Developments of Micromegas Detectors for Physics and Applications

International audienceMicromegas (MICRO-MEsh GAseous Structure) detectors have found common use in different applications since their development in 1996 by the group of I. Giomataris and G. Charpak. In this review article, we present implementations of Micromegas sub-detectors in different physics experiments and highlight the current state of development for innovative detection concepts with Micromegas

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