Les rayons cosmiques dans la région de transition d'énergie ($10^{15}$–$10^{18}$ eV) restent une énigme : leurs sources et leur composition ne sont pas connues avec précision. Les mesures directes sont impossibles en raison du faible flux, c'est pourquoi on enregistre des gerbes atmosphériques étendues, c'est-à-dire des cascades de particules dans l'atmosphère. La principale incertitude concerne le choix du modèle hadronique d'interaction dans les simulations. Des événements anormaux rares, comme les gerbes doubles, pourraient fournir des informations indépendantes, mais jusqu'à présent, ils n'ont pas pu être isolés. Ce travail se situe en marge : les travaux voisins se consacrent à la reconstruction de l'énergie et des signaux radio des gerbes ordinaires, ainsi qu'aux sursauts radio rapides, mais personne n'a tenté de détecter directement les doubles bosses. SKA-Low, avec son réseau dense d'antennes et sa large bande de fréquences, rend cela possible pour la première fois.
Les gerbes ont été simulées avec CORSIKA et l'émission radio CoREAS pour des protons et des hélium primaires d'énergie $10^{15}$ eV et un angle zénithal de 60°. Pour l'analyse, on a utilisé le paquet SMIET, qui divise l'atmosphère en couches de 5 g/cm² et permet de calculer la contribution de chaque couche au signal radio séparément. D'abord, on a construit un modèle de deux sources ponctuelles aux emplacements des maxima des sous-gerbes : il relie la fréquence du creux d'interférence à la différence des temps d'arrivée des signaux. Ensuite, pour la reconstruction complète, on a appliqué une méthode de force brute : on a fait varier les paramètres (profondeurs et nombres de particules aux maxima), pour chaque ensemble on a rapidement synthétisé une gerbe double artificielle via SMIET et comparé sa fluence à la référence par l'écart quadratique moyen.
Le modèle à deux sources ponctuelles reproduit avec précision la position des premiers creux d'interférence dans les spectres. Pour neuf gerbes doubles simulées, il a donné des estimations des profondeurs des maxima avec des erreurs allant de 15 à 66 g/cm² par rapport à l'ajustement par une double fonction de Gaisser-Hillas. La reconstruction complète par force brute avec quatre paramètres (Xmax1, Xmax2, Nmax1, Nmax2) a montré que le minimum global du RMS est souvent décalé par rapport aux valeurs vraies, mais qu'en fixant deux paramètres, la précision s'améliore : les écarts sur les profondeurs vont de 6 à 164 g/cm², et les rapports des nombres de particules se situent entre 0.61 et 1.21. Ainsi, même un modèle simple permet d'estimer grossièrement les paramètres, et l'approche SMIET fournit une base pour un affinement ultérieur.
Ce travail démontre pour la première fois que la signature radio caractéristique des gerbes doubles peut être utilisée pour reconstruire leur profil longitudinal. Contrairement aux études voisines qui se concentrent sur les gerbes ordinaires ou d'autres sources, ici on propose une voie concrète pour isoler de rares événements anormaux. Cela ouvre la possibilité de tester les modèles hadroniques d'interaction en mesurant la distance entre les pics, et d'obtenir une estimation indépendante de la composition en masse, en particulier pour l'hélium, dont la particule de tête emporte souvent 25 % de l'énergie de la particule primaire.
La prochaine étape consistera à ajouter des bruits réalistes (galactique, instrumental) et à utiliser la configuration complète du réseau d'antennes SKA-Low, qui est dix fois plus dense que dans la simulation actuelle. Cela permettra de vérifier la robustesse de l'extraction des creux dans les spectres dans des conditions réelles. On prévoit également d'élargir la bibliothèque de gabarits SMIET pour différentes atmosphères et énergies, afin d'appliquer la méthode aux données des futures observations.
La méthode aura un impact sur la physique des rayons cosmiques de ultra-haute énergie et sur la radioastronomie : SKA-Low pourra remplir une double fonction, enregistrant à la fois des sources astrophysiques et des rayons cosmiques.
Vérifier la robustesse de la reconstruction lors de l'ajout de bruits et avec le réseau complet d'antennes ; élargir la bibliothèque de gabarits SMIET pour diverses conditions.
En physique des rayons cosmiques, le problème du choix du modèle hadronique d'interaction aux ultra-hautes énergies reste non résolu. Les gerbes doubles donnent un accès direct au libre parcours de la particule de tête, ce qui est sensible aux détails de ces modèles. De plus, elles offrent une nouvelle façon de déterminer la composition en masse, qui ne dépend pas de l'étalonnage sur les gerbes ordinaires.
La fréquence du creux d'interférence dans le spectre d'une gerbe double est liée à la distance entre les deux sous-gerbes : plus les maxima sont éloignés, plus la fréquence du premier creux est basse. Pour un événement typique à $10^{15}$ eV, le creux tombe dans la bande de SKA-Low, autour de 100 MHz.
L'idée d'utiliser l'interférence de signaux provenant de sources séparées rappelle le principe de l'interférométrie radio décrit dans le roman « Contact » de Carl Sagan, où l'héroïne analyse un signal arrivant de différentes directions pour extraire une source faible du bruit.