Measurement of the muon atmospheric production depth with the water Cherenkov detectors of the Pierre Auger observatory
- Autores: Laura Molina Bueno
- Directores de la Tesis: Antonio Bueno Villar (dir. tes.), Sergio Pastor Carpi (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Granada ( España ) en 2015
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Fernando Arqueros Martínez (presid.), Francisco del Aguila Giménez (secret.), Alexey Yushkov (voc.), Diego García Gámez (voc.), Ioana Mariç (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: DIGIBUG
- Resumen
- español
RESUMEN Los rayos cósmicos de ultra alta energía (UHECR de sus siglas en inglés) son partículas de origen y composición incierta cuyas energías se encuentran por encima de 1 EeV (10^{18} eV o 0.16 J). Su flujo es una función fuertemente decreciente con la energía. Por encima de 1 J, esperamos medir una de dichas partículas por año, km^2 y esterreoradián. Esto hace impensable detectar de manera directa en las capas altas de la atmósfera estas partículas primarias de energías extremas, antes de que interaccionen y den lugar a cascadas de billones de partículas secundarias. En definitiva no tenemos información directa sobre la partícula primaria y por eso estamos obligados a construir enormes sistemas de detectores en el suelo si pretendemos estudiar la naturaleza de este tipo de radiación no térmica que continuamente bombardea la atmósfera terrestre. El hecho de que sólo podamos estudiar los productos de la interacción, conocidos habitualmente como Cascada Extensa de Partículas (EAS), añade dificultades extra a nuestra investigación para conocer qué son los UHECR, dónde se producen y qué mecanismos le confieren tan extraordinarias energías, las cuales somos incapaces de alcanzar con la tecnología actual de aceleradores de partículas.
El campo de los UHECR no está exento de poseer un buen número de preguntas sin respuesta. Por tanto no es sorprendente que dicho campo fuera y siga siendo muy activo, en el cual grandes colaboraciones internacionales trabajan unidas para entender los misterios de estas manifestaciones extremas del Universo no térmico. El detector más grande y sensible hasta ahora construido para el estudio de los EAS es el Observatorio Pierre Auger. Cubre una superficie de 3000 km^2 y fue diseñado para revelar los secretos de los rayos cósmicos cargados mediante el uso de dos técnicas de detección: la medida de la luz de fluorescencia producida en la atmósfera y la detección de una parte de las partículas que llegan al suelo. Es por tanto un detector híbrido capaz de realizar calibraciones a partir de los datos experimentales recogidos. Esto reduce los sistemáticos asociados pues no dependen de complicadas simulaciones plagadas de grandes incertidumbres.
Pierre Auger ha sido capaz de recoger el conjunto de datos más grande y de mejor calidad en la historia de los UHECR. Gracias a ello se está llevando a cabo un amplio programa de física que cubre los asuntos más relevantes del campo. Entre las líneas de investigación más interesantes se encuentra el estudio de la composición en masas de los rayos cósmicos. Actualmente las mejores inferencias en lo que a masas se refiere son las que se obtienen a través de las medidas hechas con el Detector de Fluorescencia. Este estudia el desarrollo longitudinal de la parte electromagnética de la cascada. Sin embargo el conjunto de datos recogidos no es muy grande, especialmente a las más altas energías que es la zona de mayor interés. Aunque de menor precisión, el conjunto de los datos del Detector de Superficie es casi un factor diez más grande que el conjunto de datos de fluorescencia. Por tanto nuevas formas de inferir las masas de los primarios se están desarrollando basándose en la información dada por los detectores de superficie.
Esta tesis sigue una de esas nuevas líneas de investigación. Usando principalmente la información temporal de los muones detectados en el suelo, tratamos de construir observables físicos relacionados con la composición del primario que inició la cascada. Un modelo fenomenológico simple relaciona los tiempos de llegada con las profundidades atmosféricas a las que se producen los muones. La confirmación experimental de que las distribuciones de producción de muones (MPD) están correlacionadas con la masa de la partícula primaria fue hecha por primera vez en [1]. Este trabajo abrió nuevas líneas de estudio, siendo esta tesis una continuación de ese trabajo original con el objetivo de ver si podemos ampliar y mejorar el rango de aplicación de esta técnica.
El presente documento se organiza como sigue: el capítulo 1 contiene una somera descripción de los hitos más importantes alcanzados en la historia de la Física de Rayos Cósmicos. El capítulo 2 explica qué es y de qué partes está compuesto el Observatorio Pierre Auger. Ya que esta tesis está basada en los datos registrados por el Detector de Superficie, en el capítulo 3 discutimos en profundidad cómo se reconstruyen los sucesos a partir de la información que proporcionan los detectores Cherenkov de agua (WCD). En el capítulo 4 revisamos el modelo fenomenológico que constituye la base de este trabajo e introducimos formas de mejorar algunos aspectos del mismo. Una revisión completa del análisis original aplicado a sucesos individuales se lleva a cabo en el capítulo 5 con el fin de evaluar cuáles son las diferentes fuentes que contribuyen al sesgo y la resolución en la medida de los máximos de las MPD reconstruidas. El capítulo 6 se centra en una forma alternativa de usar MPD: construimos MPD promedio para conjuntos de sucesos de energías similares con el fin de aumentar el rango de aplicabilidad de este tipo de análisis. Finalmente en el capítulo 7 presentamos posibles mejoras al análisis de las MPD mediante la mejora de la electrónica y/o la estructura interna de los WCD. Este documento se cierra con las conclusiones más importantes de los estudios realizados y unas indicaciones sobre posibles líneas de trabajo para el futuro.
Referencias [1] The Pierre Auger Collaboration Muons in air showers at the Pierre Auger Observatory: measurement of atmospheric production depth Phys. Rev. D 90 (2014) 012012
- English
ABSTRACT Ultra-high-energy cosmic rays (UHECR) are particles of uncertain origin and composition, with energies above 1 EeV (10^{18} eV or 0.16 J). The measured flux of UHECR is a steeply decreasing function of energy. Above 1 J, we expect to collect one event per year per km^{2} per steradian. This low flux makes it impossible to detect them above the atmosphere. This kind of extremely energetic primary particle thus gives rise to huge shower containing billions of daughter particles. We have no first-hand access to the identity of the primary particle and are therefore forced to build huge arrays of particle detectors at the ground if we want to study the nature of this non-thermal sort of radiation that continuously bombards the Earth¿s atmosphere. The fact that we can only record and study those secondary particles, customarily known as Extensive Air Showers (EAS), add extra difficulties in our quest to understand what are UHECR, where they are produced and what mechanisms are at work to deliver such extraordinary energies, which are far from being matched by any man-made particle accelerators.
The field of UHECR is therefore not short in supply of unanswered questions. Not surpri- singly it was and continues to be a very active field, where large international collaborations assemble to understand the physics behind this extreme manifestation of the non-thermal Uni- verse. The largest and most sensitive apparatus built to date to record and study EAS is the Pierre Auger Observatory. Covering 3000 km^{2} it was devised to reveal the nature of charged cosmic rays thanks to the simultaneous use of two detection techniques: the detection of fluores- cence light and the sampling of the particles that reach the ground. It is thus a hybrid detector with improved capabilities since its calibration is data-driven and for this purpose it does not rely on cumbersome simulations affected by large uncertainties.
The Pierre Auger Observatory has produced the largest and finest amount of data ever collected for UHECR. A broad physics program is being carried out covering all relevant topics of the field. Among them, one of the most interesting is the problem related to the estimation of the mass composition of cosmic rays in this energy range. Currently the best measurements of mass are those obtained by studying the longitudinal development of the electromagnetic part of the EAS with the Fluorescence Detector. However, the collected statistics is small, specially at energies above several tens of EeV. Although less precise, the volume of data gathered with the Surface Detector is nearly a factor ten larger than the fluorescence data. So new ways to study composition with data collected at the ground are under investigation.
The subject of this thesis follows one of those new lines of research. Using preferentially the time information associated with the muons that reach the ground, we try to build observables related to the composition of the primaries that initiated the EAS. A simple phenomenological model relates the arrival times with the depths in the atmosphere where muons are produced.
The experimental confirmation that the distributions of muon production depths (MPD) co- rrelate with the mass of the primary particle was done in [1]. This opened the way to a variety of studies of which this thesis is a continuation of the original work with the aim of enlarging and improving its range of applicability.
This document is organized as follows: chapter 1 contains introductory text to the most important milestones reached in cosmic ray physics. In chapter 2 the Pierre Auger Observatory and the main features of this hybrid detector are described. Since this thesis is based on the analysis of the data registered by the Surface Detector, we discuss in depth in chapter 3 how the properties of the primary cosmic rays are reconstructed using the information provided by the Water-Cherenkov Detectors (WCD). In chapter 4 we revisit the phenomenological model which is at the root of the analysis and discuss a new way to improve some aspects of the model. In chapter 5 we carried out a thorough revision of the original analysis with the aim to understand the different contributions to the total bias and resolution when building MPDs on an event-by-event basis. Chapter 6 is focused on an alternative way to build MPDs: we consider average MPDs for ensembles of air-showers with the aim of enlarging the range of applicability of this kind of analyses. Finally, in chapter 7 we analyze how different improvements in the WCD electronics and its internal configuration affect the resolution of the MPD. We conclu- de summarizing the main results and discussing potential ways to improve MPD-based mass composition studies.
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