Phenomenology of the detection of ultra-high energy cosmic rays and neutrinos using the radio technique
- Autores: Daniel García Fernández
- Directores de la Tesis: Jaime Álvarez Muñiz (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidade de Santiago de Compostela ( España ) en 2016
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: Enrique Zas Arregui (presid.), Inés Valiño Rielo (secret.), Valerio Verzi (voc.), Benoît Revenu (voc.), Harm Schoorlemmer (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: MINERVA
- Resumen
- español
El proyecto de tesis se enmarca dentro del campo de la Astrofísica de Partículas, una de las ramas de la Física que está recibiendo más atención en la actualidad tanto a nivel teórico como experimental. Uno de sus objetivos fundamentales es el de determinar el origen y la naturaleza de las partículas subatómicas de muy alta energía que llegan a la Tierra, así como entender los mecanismos mediante los que se aceleran hasta alcanzar energías un millón de veces mayores que las energías que alcanzan los protones en el acelerador LHC en el CERN. El proyecto trata sobre el estudio a nivel fenomenológico de la llamada técnica de radio para la detección de partículas cósmicas ultra-energéticas (energías por encima de 10^18 eV), centrándose en la detección de rayos cósmicos y neutrinos. Al ser partículas neutras, los neutrinos apuntan directamente a la fuente donde fueron producidos y, debido a su baja probabilidad de interacción con la materia pueden venir de regiones del Universo muy alejadas o de altas densidades, aumentando de esta manera las posibilidades de observación astronómica de nuestro Universo. Sin embargo para su detección se necesitan enormes volúmenes de material. La técnica de radio consiste en la observación de pulsos de radiación Cherenkov a frecuencias de radio (MHz-GHz) emitidos por las cascadas de partículas a las que los neutrinos y rayos cósmicos dan lugar cuando interaccionan. A frecuencias de radio, la radiación se emite de manera coherente y la potencia generada es proporcional al cuadrado de la energía de la partícula incidente, haciendo que la técnica sea muy prometedora para la detección de partículas de muy altas energías. A esto hay que añadirle el hecho de que existen en la naturaleza enormes volúmenes de materials transparentes a la radiación a frecuencias de radio, tales como el hielo polar, la superficie de la Luna o la propia atmósfera. Son muchas las iniciativas experimentales que se basan en la técnica de radio, como por ejemplo los experimentos ARA (Askaryan Radio Array), sucesor de RICE; ARIANNA y ANITA (Antarctic Neutrino Impulsive Transient Array) que utilizan el hielo del Polo Sur como medio material. También existen macro-experimentos como SKA (Square Kilometer Array, en fase de desarrollo) o LOFAR (Low-Frequency Antenna Array) en Holanda. Por último, existen experimentos en los que se detecta la radiación a frecuencias de radio emitida por cascadas de partículas en la atmósfera como AERA (Auger Engineering Radio Array), LOPES (LOFAR PrototypE Station) o el propio LOFAR. A medida que las iniciativas experimentales son más abundantes y a la vez más ambiciosas, se necesitan cálculos más precisos a nivel teórico y por medio de simulaciones Monte Carlo de la radiación emitida por las cascadas iniciadas por distintos tipos de partícula en diferentes medios. Estas predicciones son imprescindibles para la interpretación de los datos obtenidos en los diferentes experimentos. Existen actualmente varios códigos de simulación Monte Carlo que permiten predecir la señal emitida por cascadas electromagnéticas en distintos medios densos y en la atmósfera, y por cascadas hadrónicas en hielo y en la atmósfera, tanto en el dominio de frecuencias (Fourier) como en el dominio temporal. En este proyecto se propone utilizarlos y modificarlos para desarrollar las siguientes líneas de investigación: 1) Caracterización de la radiación Cherenkov a frecuencias de radio emitida en cascadas iniciadas por rayos cósmicos y neutrinos. 2) Desarrollo de modelos simples para predecir el campo eléctrico de una cascada de partículas. 3) Estudio de la radiación de frenado molecular (molecular bremsstrahlung radiation, MBR) e interpretación de los datos de los experimentos AMY (Air Microwave Yield) y MAYBE (Microwave Air Yield Beam Experiment). 4) Estudio de la radiación emitida por las cascadas de partículas que se refleja en el suelo y se detecta a gran altitud, y su aplicación al experimento ANITA.
- English
Ultra-high energy cosmic rays are particles that have energies up to 1020 and beyondd and that arrive to the Earth after travelling the Universe. These energies are more than one million times the energies availably by means of man-made accelerators. Cosmic rays pose several questions that remain unanswered, such as which is their composition at ultra-high energies, which are their sources (the regions of the Universe where they are produced), how they are accelerated, or how they interact with the medium while they propagate towards the Earth, etc.
The existence of ultra-high energy cosmic rays that are protons or charged nuclei indicates that the production of neutrinos because of the interactions of the cosmic rays, limiting the distance the ultra-high energy cosmic rays can reach (GZK effect). On the other hand, neutrinos, being particles that interact only via weak force and with cross sections about 107 smaller than hadronic cross sections, can come from the edge of the Universe without deviating or interacting. This makes them extraordinary cosmic messengers.
The detection methods of ultra-high energy cosmic rays and neutrinos involve the creation of particle showers from the interaction of the cosmic ray with a particle in a medium (atmosphere or ice, for instance). These showers are measured with detectors such as water tanks provided with photomultipliers, or fluorescence telescopes. Through the measurable quantities of a shower several properties of the initial particle can be inferred, like the energy, the type of particle, the arrival direction...
One of the detection methods is the radio technique. This technique began to be developed in the 1960s, reaching some promising first results, but the limitations of the electronics at the time forced the research to stop. In the last years, and thanks to the advances in electronics, that now allows the measuring of voltages with temporal precision below the nanosecond, the radio technique is witnessing a renaissance, with experiments as ANITA, LOFAR, CODALEMA, ARA or ARIANNA.
The basic idea of the radio technique is the following. When a cosmic ray or a neutrino collides with a material medium in the Earth, the resulting shower contains charged
- español
