Détection du pulsar de Vela et recherche de violation d'invariance de Lorentz avec le cinquième ...

208 Pages·2017·4.66 MB·French

by  Mathieu Chrétien

Détection du pulsar de Vela et recherche de violation
d’invariance de Lorentz avec le cinquième télescope de
H.E.S.S.
Mathieu Chrétien
To cite this version:
Mathieu Chrétien. Détection du pulsar de Vela et recherche de violation d’invariance de Lorentz avec
lecinquièmetélescopedeH.E.S.S.. PhysiquedesHautesEnergies-Réseau[hep-lat]. UniversitéPierre
et Marie Curie - Paris VI, 2015. Français. ￿NNT: 2015PA066362￿. ￿tel-01271357￿
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THÈSE DE DOCTORAT
DE L’UNIVERSITÉ PIERRE ET MARIE CURIE
Spécialité : Particules, Noyaux, Cosmos
École doctorale : Sciences de la Terre et de l’Environnement et Physique de l’Univers
réalisée
au Laboratoire de Physique Nucléaire et de Hautes Énergies
présentée par
Mathieu Chrétien
pour obtenir le grade de :
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ PIERRE ET MARIE CURIE
Sujet de la thèse :
Détection du pulsar de Vela et recherche de violation
d’invariance de Lorentz avec le cinquième télescope de H.E.S.S.
soutenue le 2 octobre 2015
devant le jury composé de :
Dr. Paschal Coyle Rapporteur
Dr. David Smith Rapporteur
Dr. Julien Bolmont Directeur de thèse
Pr. Frédéric Daigne Président du jury
Dr. Alessandro De Angelis Examinateur
Dr. Arache Djannati-Ataï Examinateur

i
À mes grands-parents, Yolande et Camille

iii
Remerciements
Jetienstoutd’abordàremercierchaleureusementDavidSmithetPaschalCoyle,
rapporteurs, qui m’ont donné la chance de pouvoir défendre mes travaux de re-
cherche. Merci à Frédéric Daigne pour avoir accepté la tâche de présider mon jury
de thèse. Je remercie Alessandro De Angelis, s’étant déplacé spécialement de Udine,
et Arache Djannati-Ataï pour avoir assisté à ma soutenance en qualité de membres
du jury.
Je remercie tout particulièrement mon directeur de thèse, Julien Bolmont, sans
qui l’aboutissement de cette thèse n’aurait pas été possible. Il a su m’aider à définir
ma route doctorale tout en me laissant une grande liberté dans mes travaux, liberté
nécessairepourouvrirlechampdelacréativité.Lorsdesquelquesmomentsdedoute
qui m’ont traversé durant cette thèse, il a su me remotiver. J’ai apprécié sa rigueur
scientifique,sesconseilsméthodologiquesetlaconfiancequ’ilm’atoujoursaccordée.
Pendant cette thèse, j’ai travaillé au sein de l’équipe H.E.S.S. du Laboratoire de
Physique Nucléaire et de Hautes Énergies (LPNHE). Merci à Jean-Philippe Lenain,
Jean-Paul Tavernet pour sa bonne humeur communicative. Merci aussi à Agnieszka
Jacholkowskapoursesqualitésscientifiquesethumaines,ainsiquesescommentaires
toujours avisés sur mes résultats. Enfin un grand merci à Pascal Vincent, respon-
sable du groupe H.E.S.S., j’ai beaucoup apprécié les échanges constructifs que l’on
a pu avoir. Aux physiciens s’ajoutent les membres de l’équipe technique dont Jean-
François Huppert, Patrick Nayman et François Toussenel. Travailler au LPNHE a
été riche et agréable et je remercie Reynald Pain pour m’avoir accueilli au sein
du laboratoire. Merci à Piera Ghia pour avoir accepté d’être ma "marraine". Nos
entretiens informels ont été bénéfiques et m’ont souvent fourni une partie du carbu-
rant nécessaire à la poursuite de cette thèse. Je remercie aussi Bernard Caraco qui
s’est occupé de la gestion de mes missions à l’étranger avec brio et Vera qui aura
su me convertir aux dosettes de café. Enfin un grand merci à tous les thésards du
laboratoire : Tania, Matthieu, Camille, Lorenzo, Mathilde ou encore Sylvestre. Je
n’oublierai pas Raphaël, mon collègue de bureau et compère de soirées.
Travailler au sein d’une collaboration européenne comme H.E.S.S. a été enri-
chissant scientifiquement, culturellement et socialement. Je tiens à remercier tout
d’abord Mathieu de Naurois. Il a su, avec talent, impliquer les collaborateurs fran-
çais dans le succès du cinquième télescope de H.E.S.S. J’ai eu ainsi l’opportunité
de contribuer au code du software de la collaboration. Merci d’une part aux physi-
ciens de la Task Force "Vela" : Thomas Tavernier, Arache Djannati-Ataï, Gianluca
Giavitto, Michael Gajdus, Markus Holler, Bronek Rudak et Christo Venter. Merci
égalementauxpersonnesimpliquéesdansleWorkingGroup "Astroparticles":Pierre
Brun, Aion Viana, Jean-François Glicenstein, Christian Farnier, Ullrich Schwanke
et Jan Conrad. Je tiens à remercier tout particulièrement Jan, qui a en outre en-
iv
cadré mon stage de Master au Centre Oskar Klein à Stockholm. Il a énormément
contribué à ma passion pour les statistiques. Enfin je remercie Thomas Tavernier,
JulienLefaucheur,ChristianMariaud,ValentinLefranc,FlorianaZefi,JillChevalier
et bien sûr Raphaël qui ont fait de chaque réunion de collaboration une expérience
inoubliable!
Ungrandmerciàtouslescamaradesquej’aigardésdeprèscommedeloinetqui
ontpartagéunpetitboutdemavie.LesVosgiens:Jean-François,Xavier,Charlotte,
Pauline, le Steff, le Romu, Sam, Nicolas, Lieven, Tom, Matthieu. Je n’oublierai pas
Jonathan et Manu pendant mon année strasbourgeoise. Les Scandinaves : Cécilia,
Klas, Robban, Tiina, Hanna, Johnatan, Johan. Enfin je remercie chaleureusement
Zina, Hélio, Raphaël, Nico, Marie, Sylvain, pour avoir accompagné mes longues soi-
rées parisiennes. Elena pour une note de soleil sicilien. Enfin une pensée particulière
pour la "marelle". Un grand merci!
Se lancer dans l’aventure un peu folle du doctorat n’était pour moi, pas une
évidence dès le début de mes études. Je voudrais témoigner toute ma reconnais-
sance aux enseignants du groupe de physique statistique de l’institut Jean Lamour
à Nancy : Thierry Gourieux, Christophe Chatelain, Dragi Karevski. Ils ont été pour
moi une très grande source d’inspiration et ne sont certainement pas étrangers à
mon choix de préparer une thèse de doctorat.
Pour finir, je tiens à remercier l’ensemble de ma famille, les Chrétien, les Besson.
Mes parents qui m’ont toujours soutenu dans mes projets (même les plus fous),
merci pour leurs relectures assidues, et pour avoir essayé de calmer mes "tensions"
ces derniers mois. Mon grand frère Jérémy, qui m’a appris à toujours donner le
meilleur de moi-même. Mon petit frère Léo qui ira loin, toute la belle-famille des
Huguenot ainsi que Francis. Sans ma mère, sans mon père, sans mes frères, sans
vous tous, je ne serais certainement pas arrivé à l’aboutissement de mes longues
années d’études. Merci d’être là!
Merci à ceux qui liront cette page et à ceux qui auront le courage de la tourner...
v
Pour le savant, croire la science achevée est toujours une illusion
aussi complète que le serait pour l’historien
de croire l’histoire terminée.
Louis De Broglie, Physique et microphysique, Albin Michel, 1956
Celui qui augmente sa science, augmente sa douleur.
Qöhéléth (L’ecclésiaste), XIe siècle av. J.-C.

Table des matières
Introduction xi
I Cadre scientifique 1
1 La gravitation quantique 3
1.1 La place de la gravitation dans le modèle standard . . . . . . . . . . 4
1.1.1 Les forces non gravitationnelles . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.2 La gravitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.3 Vers une unification des quatre forces fondamentales . . . . . 5
1.2 La gravitation quantique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.1 Théorie des cordes et gravitation quantique à boucles . . . . . 6
1.2.2 Violation d’invariance de Lorentz . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3 Phénoménologie de la gravitation quantique . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.1 Modification des relations de dispersion . . . . . . . . . . . . 10
1.3.2 Mesure du temps de vol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4 Les sondes astrophysiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.4.1 Noyau actif de galaxies et sursauts γ . . . . . . . . . . . . . . 11
1.4.2 Intérêt des pulsars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4.3 Contraintes actuelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.5 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2 Les pulsars, observation des rayons γ 17
2.1 Propriétés générales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.1.1 Formation des étoiles à neutrons . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.1.2 Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.1.3 Ralentissement, âge et champ magnétique . . . . . . . . . . . 20
2.2 Modèle simplifié : le dipôle magnétique . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3 Production des rayons γ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3.1 Modèle de la calotte polaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3.2 Modèle de la cavité externe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.3 Le pulsar du Crabe : un cas particulier? . . . . . . . . . . . . 28
2.4 Observation des rayons γ au sol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.4.1 Gerbes atmosphériques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.4.2 Imagerie Cherenkov atmosphérique . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.5 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33