Soutenance de thèse de Carlo GUIDI

KM3NeT (Cubic Kilometer Neutrino Telescope) est un télescope sous-marin dont les objectifs sont la détection des neutrinos cosmiques et l'étude de l'oscillation des neutrinos. Il existe deux détecteurs situés en France au large des côtes de Toulon (KM3NeT-ORCA, Oscillation Research with Cosmics in the Abyss) et en Italie au large de Capo Passero en Sicile (KM3NeT-ARCA, Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss). Chaque dispositif expérimental détecte les photons produits par l'effet Cherenkov dus au passage des particules chargées, qui elles dérivent des interactions des neutrinos avec la matière. Afin de reconstruire correctement la direction, l'énergie et le type d'interaction d'origine des neutrinos, il est nécessaire de connaître très précisément la position des photomultiplicateurs. Ainsi, des systèmes acoustiques sont utilisés pour surveiller la géométrie flexible du détecteur. Les détecteurs sont constitués de plusieurs structures verticales, appelées Unités de Détection (DU), le long desquelles sont positionnés 18 Modules Optiques Numériques (DOM), contenant chacun 31 photomultiplicateurs. Lors du déploiement des DU, la position de tous les éléments est mesurée avec un système de positionnement acoustique, appelé Navigation and Absolute Acoustic Positioning System (NAAPS), avec une précision d'environ 1 m. Par la suite, grâce à un système d'émetteurs et de récepteurs acoustiques (RAPS - Relative Acoustic Positioning System), la position de tous les capteurs est affinée pour atteindre une précision de 10 cm, suffisante pour la reconstruction des événements d'interaction neutrino avec la précision requise. Trois émetteurs autonomes (appelés « Acoustic Beacons »), non synchronisés avec l'horloge maîtresse du télescope, sont installés autour du détecteur. Sur chaque DOM un capteur piézo acoustique est présent et un hydrophone est positionné à la base de chaque ligne. Dans cette thèse, j'ai testé et amélioré les méthodes utilisées pour reconstruire les positions des modules optiques et de la base des lignes du détecteur. Cela a été fait en utilisant des simulations de configurations de plus en plus réalistes et en appliquant par la suite les méthodes RAPS développées et testées sur des données réelles. En plus du positionnement des capteurs optiques, les hydrophones KM3NeT peuvent être utilisés à différentes fins. Les algorithmes RAPS sont également utilisés pour l'identification et le suivi des cétacés. Il est notamment possible de détecter les clics (sons impulsifs) de certains mammifères marins, comme les cachalots, les baleines à bec de Cuvier et diverses espèces de dauphins. En observant le signal produit par ces animaux dans différents récepteurs, il est possible de calculer les temps de retard et à partir de ceux-ci de reconstituer la position de la source acoustique. Afin d'avoir une bonne précision dans la reconstruction des positions des cétacés il est nécessaire de connaître très précisément les emplacements des récepteurs utilisés (en particulier les hydrophones). Pour cette raison, la performance du RAPS est également très importante pour cet objectif. Une étude statistique sur la présence de cétacés marins dans la zone de l'expérience KM3NeT-ORCA a ensuite été menée. Ce type de recherche est très utile pour étudier la répartition, le comportement et les habitudes de ces animaux. Mon travail de thèse a démontré que le système acoustique KM3NeT, en plus de fournir un positionnement précis des capteurs optiques du détecteur, est capable d'identifier les sons émis par différentes espèces de cétacés, en particulier ceux des cachalots, et de reconstituer leur trajectoire, au moins lorsqu'ils se déplacent à proximité du détecteur (plusieurs kilomètres).

KM3NeT (Cubic Kilometer Neutrino Telescope) is an underwater telescope for cosmic neutrinos detection and neutrino oscillation study. There are two detectors located in France, offshore the coast of Toulon (KM3NeT-ORCA, Oscillation Research with Cosmics in the Abyss) and in Italy, offshore Capo Passero, Sicily (KM3NeT-ARCA, Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss). Each experimental setup detects the photons produced by the Cherenkov effect due to charged particles, which derive from the interactions of neutrinos with matter. In order to correctly reconstruct the original neutrino direction, energy and the interaction type, it is necessary to know very accurately the position of the photomultipliers. So, acoustic systems are used to monitor the flexible detector geometry. The detectors consist of several vertical structures, called Detection Units (DUs), along which 18 Digital Optical Modules (DOMs), each containing 31 photomultipliers, are positioned. During the deployment of the DUs the position of all the elements is measured with an acoustic positioning system, called Navigation and Absolute Acoustic Positioning System (NAAPS), with an accuracy of about 1m. Subsequently, through a system of acoustic emitters and receivers (RAPS - Relative Acoustic Positioning System) the position of all the sensors is refined reaching an accuracy of 10 cm, sufficient for the reconstruction of the neutrino interaction events with the requested precision. Three autonomous emitters (called “Acoustic Beacons”), not synchronized with the master clock of telescope, are installed around the detector. On each DOM an acoustic piezo sensor is present and at the base of each line there is a hydrophone. In this PhD thesis, I have tested and improved the methods that are used to reconstruct the positions of the optical modules and line bases of the detector. This was done by using simulations of progressively more realistic configurations and subsequently applying the developed and tested RAPS methods on real data. In addition to the positioning of the optical sensors, the KM3NeT hydrophones can be used for different purposes. The RAPS algorithms are also used for the identification and tracking of the cetaceans. In particular, it is possible to detect the clicks of some marine mammals, such as sperm whales, Cuvier's beaked whales and various species of dolphins. By observing the signal produced by these animals in different receivers it is possible to calculate the delay times and from these to reconstruct the position of the acoustic source. In order to have a good accuracy in the reconstruction of the cetacean positions it is necessary to know very precisely the locations of the used receivers (in particular the hydrophones). For this reason the performance of the RAPS is very important also for this goal. A statistical study on the presence of marine cetaceans in the area of the KM3NeT-ORCA experiment was then conducted. This type of research is very useful for studying the distribution, behaviour and habits of these animals. My thesis work has demonstrated that the KM3NeT acoustic system, in addition to provide an accurate positioning of the optical sensors of the detector, is able to identify the sounds emitted by various species of cetaceans, in particular sperm whales, and to reconstruct their trajectory, at least when they move close to the detector (several kilometres).