A journey of Ultra Heavy Cosmic Ray Nuclei with Z=65: From their detection near the Earth neighborhood back to their nucleosynthesis sites

• Autores: Joan Font i Serra
• Directores de la Tesis: Carles Domingo Miralles (dir. tes.)
• Lectura: En la Universitat Autònoma de Barcelona ( España ) en 2005
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: Francisco Fernández Moreno (presid.), Carmen Baixeras Divar (secret.), María Dolores Rodríguez Frías (voc.), Mercè Ginjaume Egido (voc.), Jordi Isern Vilaboy (voc.)
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: TDX
• Resumen

  • Des de temps immemorials, dels principis de la humanitat, els éssers humans han mostrat un tremenda curiositat i atracció pel que veien quan enlairaven la vista. Per un motiu o un altra, la recerca dexplicacions de naturalesa mística de tot allò que envoltava la vida humana així com el propi destí es buscava fora de la Terra. Aquest interès místic va fomentar la observació del cel nocturn que al cap del temps junt amb altres canvis de tipus filosòfic i social van donar peu a una interpretació racional del que observaven i per tant, a una primera formulació de models cosmogònics i cosmològics.

    Precisament el llegat daquests primers observadors del cel ha estat la curiositat per lespai extraterrestre per buscar-hi respostes a diferents preguntes. Algunes daquestes preguntes, que han estat formulades per diversos científics, varen consistir en les llavors per a una nova disciplina cultivada en el camp de la ciència física: La física dels Raigs Còsmics.

    Actualment, la física dels Raigs Còsmics consisteix en una disciplina que aixopluga diferents tòpics de lastrofísica i la física com ara la nucleosíntesi dels raigs còsmics, el procés de injecció, els mecanismes dacceleració, el procés de propagació i la detecció prop de la Terra dels raigs còsmics.

    Durant els anys 80, es van planejar un conjunt dexperiències a bord de satèl·lits amb la finalitat destudiar la component hadrònica de la radiació còsmica, en concret, els ions ultrapesants amb càrrega superior a la del Ferro. El present treball està unit a un daquest experiments: lUHCRE (Ultra Heavy Cosmic Ray Experiment). Varis apilaments de detectors sòlids de traces nuclears van ser usats en lUHCRE. Aquests apilaments han estat analitzats i mesurats en el nostre grup, reconeixent un total de 205 traces originades per ions ultrapesants de la radiació còsmica. La identificació daquests ions en lUHCRE ha estat la primera motivació daquest treball, així la primera meitat (capítols 1 i 2) daquesta tesi tracta aquest problema. Daltra banda, els capítols 3 i 4, concerneix el procés de propagació de labundància daquests ions cap a les seves fonts mitjançant el model de Leaky Box.

    En el capítol 1, es presenta un mètode didentificació conegut com Gradient Fraccional de la velocitat datac reduïda i es realitza un estudi detallat del seu rang daplicabilitat. Finalment, sefectua la determinació de labundància dels raigs còsmics ultrapesants amb Z > 65 vistos per lUHCRE.

    En el capítol 2, sutilitza un model alternatiu de formació de traça latent basat en el model de pèrdua denergia restringida en el qual sinclouen la possible contribució de les diferents correccions per col·lisions properes en lequació de Bethe-Bloch. Un estudi prenent els resultats de lUHCRE permet establir relacions entre els paràmetres que intervenen en el procés didentificació. Finalment, sobté una estimació daquests paràmetres usant dades experimentals daccelerador.

    En el capítol 3, es dedueix lequació de transport pel model de Leaky Box (MLB) que descriu la variació de la composició química de la radiació còsmica durant el seu viatge a través de la galàxia. Labundància en les fonts que es dedueix dels resultats de lUHCRE és estimada resolent les equacions de transport per a tots els elements amb càrrega entre 65 i 92 mitjançant un mètode numèric que cal entendrel com una primera aproximació al problema.

    En el darrer capítol, les equacions del MLB es resolen numèricament usant la Weighted Slab Technique. Es presenta un estudi de la resposta daquest model quan es varien les expressions dels diferents paràmetres de propagació que es requereixen. Optimitzant el paràmetre estadístic ?² entre labundància calculada la qual és afectada per una indeterminació en la càrrega i labundància experimental, ah estat possible determinar aquella combinació de totes les expressions disponibles dels paràmetres de propagació que millor reprodueix labundància experimental de lUHCRE.

    Since ancient times, from the beginning of humankind, human beings have shown a great curiosity and attraction for what they saw when looking up. For one reason or another, the quest for explanations of mystical nature (maybe justifications) for what surrounded human life as well as its destiny was searched outside the Earth. This mystical interest encouraged the observation of the night sky which, in time, together with other social and philosophical changes, lead to a rational interpretation of what they observed and, hence the formulation of the first cosmogonical models and then cosmological models.

    Precisely, the legacy of these first sky observers, has been the curiosity for the extraterrestial space in search of answers to many different questions. Some of these questions formulated by several scientists, were the seeds for a new discipline sowed in the field of physics science: Cosmic Ray Physics.

    Nowadays, Cosmic Ray Physics consist on a discipline allowing to gather several different topics of astrophysics and physics such as the nucleosynthesis of cosmic rays, the injection process, the acceleration mechanisms, the propagation process and the detection of cosmic rays near the Earth.

    During the 80's, a set of experiences on board of satellites were planned and carried out with the aim of studying the hadronic component of cosmic rays, specifically ultra heavy ions with charge higher than Iron. The present work is, therefore, linked to one of such experiences; the UHCRE (Ultra Heavy Cosmic Ray Experiment). Several stacks of sheets of solid state nuclear track detectors used in the UHCRE have been analysed and measured by our group, recognizing a total of 205 tracks as originated by ultra heavy cosmic ray ions. The identification of cosmic ray ions recorded in UHCRE has been the first motivation of this work, so the first half (chapter 1 and 2) of the present thesis deals with this problem. On the other hand, chapters 3 and 4 concern to the propagation process of the abundances of such ions back to their sources using the Leaky Box model.

    In chapter one, an identification method, known as Reduced Etch Rate Fractional Gradient (RERFG) is presented and a detailed study of its range of applicability is performed. The determination of the abundances of ultra heavy cosmic ray with Z > 65 seen by the UHCRE is realized.

    In the second chapter, an alternative track formation model based on a modification of the Restricted Energy Loss model is taken into consideration by introducing the contribution of the close collisions corrections in the Bethe-Bloch formula. A study taking the UHCRE measurements allows to establish relationships between the parameters involved in the identification process. Finally, an estimation of these parameters is made using experimental data from accelerator.

    In chapter three, the transport equation for the Leaky Box Model (LBM) which describes the variation of the chemical composition of cosmic rays during their travel through the Galaxy is deduced. The source abundances inferred from the UHCRE results are estimated solving the transport equations, corresponding to all elements with charge 65 < Z < 92, with a numerical method that has to be understood as a first approximation to the problem.

    In the last chapter, the LBM transport equations are numerically solved using the Weighted Slab Technique. A study of the response of the LBM is presented when different expressions of the required propagation parameters are taken. By optimizing the ?² statistical parameter between calculated abundances which are effected by a charge uncertainty and experimental abundances, it has been possible to determine which combination of all available expressions of the propagation parameters better reproduces the experimental abunadances of UHCRE.