Dissertations / Theses on the topic 'Auger, Pierre'

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:25:30Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2003-03Bitstream added on 2014-06-13T19:53:19Z : No. of bitstreams: 1 menezes_m_me_ift.pdf: 1408979 bytes, checksum: c49d46abc2dcaff209c0e561dfd6398a (MD5)
Faz-se aqui o estudo da detecção de neutrinos (v) de altas energias ('E IND.v' > '10 POT.9' GeV) no Observatório Pierre Auger usando os detectores de fluorescência. Introduzimos todo o conhecimento experimental dos raios cósmicos, em conjunto com a fenomenologia das partículas elementares, para que o estudo da detecção possa ser entendido de forma bastante geral. Raios cósmicos de até '10 POT.15' eV vem de fontes em nossa galáxia; já as partículas acima de '10 POT.18' eV não são confinadas no campo magnético da galáxia. Portanto, acredita-se que estas partículas sejam de origem extra-galática. Porém, sua natureza continua completamente desconhecida. Existem vários modelos que resultam em diferentes fluxos de neutrinos de altíssimas energias. Independente do modelo, estes neutrinos vem de distâncias cosmológicas, estando sujeitos à oscilação do seu sabor. A oscilação de neutrinos traz como conseqüência uma igualdade entre os fluxos dos neutrinos de cada família. O método aqui utilizado para detecção de neutrinos consiste em considerar apenas aqueles que se propagam pelo interior terrestre, até chegarem a região de detecção. Estes neutrinos de altíssimas energias podem dar origem a léptons carregados após uma interação de corrente carregada com núcleos atômicos. Estes léptons carregados continuam se propagando na mesma direção do neutrino original, podendo sair da terra. Ao sair da Terra estes léptons carregados poderão ser detectados pelo Observatório Pierre Auger. Destes léptons, apenas o tau dará origem a um chuveiro eletromagnético que deverá ser detectado. Mostramos por fim que um número bastante pequeno de neutrinos atravessando a terra deverá ser observado. Entretando, mesmo a observação de um único evento em vários anos nos indicaria a existência de neutrinos. Além disso, seria o início de uma nova fase na detecção de raios cósmicos.
Abstracts: Here we study the detection of the ultra high energy neutrinos in Pierre Auger Observatory using the fluorescence detectors. We introduce all the experimental knowledge of cosmic rays, together with the elementary particles phenomenology, so that the detection study can be understood in a very genral way. Cosmic rays with energies up to '10 POT.15' eV come from sources in our galaxy. But the particles above '10 POT.18' eV are not confined in the galactic magnetic field. So, it is believed that these particles are of extragalactic origin. But their nature is completely unknown. There are many models that result in different ultrahigh energy neutrino fluxes. Independent of the model, these neutrinos como from cosmological distances, being subject to flavor oscillation. The neutrino oscillation gives as a consequence the equality between the neutrino fluxes of each family. The method used for the neutrino detection is to consider only those that propagate through the earth, until they arrive to the detection area. These ultra high energy neutrinos can create charged leptons after a charged current interaction with atomic nuclei. These charged leptons keep the same direction of the original neutrino and they can exit the Earth. When they exit the Earth, they will be detected by the Pierre Auger Observatory. We show, finally, that very small number of neutrinos crossing the Earth will be detected. However, even the observation of one single event in many years will be an indication of the existence of a neutrino flux. Moreover, it would be the beginning of a new phase in the cosmic ray detection.

Orientador: Rogério Rosenfeld
Banca: Marcelo Moraes Guzzo
Banca: Adriano Antônio Natale
Resumo: Faz-se aqui o estudo da detecção de neutrinos (v) de altas energias ('E IND.v' > '10 POT.9' GeV) no Observatório Pierre Auger usando os detectores de fluorescência. Introduzimos todo o conhecimento experimental dos raios cósmicos, em conjunto com a fenomenologia das partículas elementares, para que o estudo da detecção possa ser entendido de forma bastante geral. Raios cósmicos de até '10 POT.15' eV vem de fontes em nossa galáxia; já as partículas acima de '10 POT.18' eV não são confinadas no campo magnético da galáxia. Portanto, acredita-se que estas partículas sejam de origem extra-galática. Porém, sua natureza continua completamente desconhecida. Existem vários modelos que resultam em diferentes fluxos de neutrinos de altíssimas energias. Independente do modelo, estes neutrinos vem de distâncias cosmológicas, estando sujeitos à oscilação do seu sabor. A oscilação de neutrinos traz como conseqüência uma igualdade entre os fluxos dos neutrinos de cada família. O método aqui utilizado para detecção de neutrinos consiste em considerar apenas aqueles que se propagam pelo interior terrestre, até chegarem a região de detecção. Estes neutrinos de altíssimas energias podem dar origem a léptons carregados após uma interação de corrente carregada com núcleos atômicos. Estes léptons carregados continuam se propagando na mesma direção do neutrino original, podendo sair da terra. Ao sair da Terra estes léptons carregados poderão ser detectados pelo Observatório Pierre Auger. Destes léptons, apenas o tau dará origem a um chuveiro eletromagnético que deverá ser detectado. Mostramos por fim que um número bastante pequeno de neutrinos atravessando a terra deverá ser observado. Entretando, mesmo a observação de um único evento em vários anos nos indicaria a existência de neutrinos. Além disso, seria o início de uma nova fase na detecção de raios cósmicos.
Abstracts: Here we study the detection of the ultra high energy neutrinos in Pierre Auger Observatory using the fluorescence detectors. We introduce all the experimental knowledge of cosmic rays, together with the elementary particles phenomenology, so that the detection study can be understood in a very genral way. Cosmic rays with energies up to '10 POT.15' eV come from sources in our galaxy. But the particles above '10 POT.18' eV are not confined in the galactic magnetic field. So, it is believed that these particles are of extragalactic origin. But their nature is completely unknown. There are many models that result in different ultrahigh energy neutrino fluxes. Independent of the model, these neutrinos como from cosmological distances, being subject to flavor oscillation. The neutrino oscillation gives as a consequence the equality between the neutrino fluxes of each family. The method used for the neutrino detection is to consider only those that propagate through the earth, until they arrive to the detection area. These ultra high energy neutrinos can create charged leptons after a charged current interaction with atomic nuclei. These charged leptons keep the same direction of the original neutrino and they can exit the Earth. When they exit the Earth, they will be detected by the Pierre Auger Observatory. We show, finally, that very small number of neutrinos crossing the Earth will be detected. However, even the observation of one single event in many years will be an indication of the existence of a neutrino flux. Moreover, it would be the beginning of a new phase in the cosmic ray detection.
Mestre

Les connaissances sur les rayons cosmiques d'ultra haute énergie (E>10^{18} eV) ont progressé durant la dernière décennie, en particulier grâce aux résultats remarquables de l'Observatoire Pierre Auger. La question de la composition du flux de rayons cosmiques à ces énergies reste cependant ouverte. Le projet EASIER (Extensive Air Shower Identification using Electron Radiometer) de détection radio des gerbes atmosphériques recherche de nouvelles observables liées à la nature du rayonnement cosmique primaire, complémentaires de celles déjà mise en oeuvre à l'Observatoire Pierre Auger. Ce dispositif est constitué d'un réseau d'antennes radio fonctionnant aux fréquences MHz et GHz et installées en mode esclave sur une soixantaine de détecteurs de particules du réseau de surface de l'Observatoire. Après étude de la réponse des détecteurs et analyse des données, les caractéristiques des signaux détectés aux fréquences MHz se sont révélées compatibles avec une origine géomagnétique de l'émission radio des gerbes. Aux fréquences GHz, seuls quelques signaux ont été détectés en coïncidence avec des gerbes atmosphériques. Un programme de simulation a été réalisé dans le but d'identifier l'origine de cette émission micro-ondes. Il inclut le développement de la gerbe dans l'atmosphère et différents mécanismes d'émission aux fréquences GHz : l'effet Cerenkov et le bremsstrahlung moléculaire. La propagation du rayonnement dans l'atmosphère et la réponse de l'antenne réceptrice sont également simulés, ce qui permet une comparaison directe des signaux détectés avec les signaux attendus
The understanding on the ultra high cosmic rays (E>10^{18} eV) issue has been improved over the last decade, especially through the noteworthy results of the Pierre Auger Observatory. The composition of cosmic rays at those energies is still an open matter. The EASIER project (Extensive Air Shower Identification using Electron Radiometer) on radio detection of extensive air showers is looking for new observables related to the nature of primary cosmic rays, complementary to those already implemented at the Pierre Auger Observatory. This prototype consists of an array of MHz and GHz antennas, set up on a slave mode on about sixty tanks of the surface detector of the Observatory. Further to a study of the antenna response and a data analysis, the features of the detected signals at MHz frequencies have turned out to be compatible with a geomagnetic origin of the shower radio emission. At GHz frequencies, only a few signals have been detected in coincidence with extensive air showers. A simulation program has been created, aiming to identify the origin of this micro wave emission. It includes the air shower development in the atmosphere and different emission mechanisms at GHz frenquencies : the Cerenkov radiation and the molecular bremsstrahlung. The radiation propagation through the atmosphere and the receiving antenna response are simulated as well, allowing to directly compare the detected signals to the predicted ones

Après plus d'un siècle d'études, l'origine des rayons cosmiques d’ultra-haute énergie reste mal comprise. En améliorant la connaissance de la composition des rayons cosmiques détectés sur Terre, il est possible de contraindre les modèles concernant leur origine, ainsi que leur mécanisme de production dans les sources astrophysiques. Les simulations montrent que le champ électrique émis par les gerbes est sensible à leur développement dans l'atmosphère. Ce champ électrique peut être mesuré avec un cycle utile élevé, faisant du signal radio une observable prometteuse pour identifier le rayon cosmique primaire. Le signal radio permet également de mesurer sa direction d'arrivée et son énergie. Depuis 2006, l'observatoire Pierre Auger accueille plusieurs réseaux de radio détection des rayons cosmiques. Des démonstrateurs équipés de quelques stations (RAuger,MAXIMA) ont permis une caractérisation efficace de l'environnement radio du site, ils ont également apporté des contraintes sur les mécanismes responsables de l'émission du champ électrique par les gerbes dans le domaine du MHz. Les prototypes ont mené à la construction d’AERA (Auger Engineering Radio Array) qui, avec 124 stations couvrant 6 km², est le premier réseau grande échelle de radio détection des gerbes dans le domaine du MHz. AERA est déployé dans l'extension basse énergie de l'observatoire afin de bénéficier d'une statistique plus importante. Le réseau permet d'intéressantes mesures hybrides ; son emplacement permet en effet de croiser les données obtenues par la radio avec celles provenant du réseau de surface (SD) et des télescopes à fluorescence (FD) proches du réseau. Cette thèse est dédiée à la caractérisation de signaux transitoires radio détectés par RAuger et AERA. Comme un des défis de la radio détection des gerbes atmosphériques est de supprimer les bruits de fond anthropiques causant des déclenchements accidentels, des méthodes de réjection du bruit de fond et de sélection des coïncidences SD-AERA ont été développées. Une étude de la corrélation entre le développement de la gerbe dans l'atmosphère (profil longitudinal) et le champ électrique mesuré par les stations radio est également présentée. Cette étude valide le lien direct entre le champ électrique et le développement de la gerbe dans l'atmosphère et confirme l’intérêt du signal radio pour l’estimation de la nature des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie
After more than a century of studies, one of the challenging questions related to ultra-high energy cosmic rays concerns their nature, which remains unclear. Improving the knowledge about the composition of cosmic rays will permit to constrain the models concerning their origins and the production mechanisms in the astrophysical sources. Simulations show that, the electric field emitted by the shower is sensitive to its development. This electric-field can be measured with a high duty cycle, and thus is apromising technique to identify an observable sensitive to the nature of the primary cosmic ray. The radio signal is also used to measure its arrival direction and its energy. Since 2006, the Pierre Auger Observatory hosts several radio detection arrays of cosmic rays, starting from small size prototypes (RAuger, MAXIMA) to achieve a large scale array of 124 radio stations: AERA, the Auger Engineering Radio Array covering 6 km². These different arrays allow the study of the radio emission during the development of the shower in the MHz domain. AERA is deployed in the low energy extension of the Pierre Auger Observatory in order to have a larger statistics. It enables interesting hybrid measurements, with the comparison of radio observable with those obtained with the surface detector (SD) and the fluorescence telescopes close to the array. This thesis is dedicated to the characterization of the radio transient signals detected by RAuger and AERA. As one of the challenges of the radio detection of air-shower is to remove the anthropic background causing accidental triggering, methods for background rejection and SD-AERA coincidences selection have been developed. A study of the correlation between the shower development in the atmosphere (longitudinal profile) and the electric-field measured by the radio stations is also presented. This study shows the relationship between the electric-field and the shower development in the atmosphere and confirms that the radio signal is a powerful tool to study the nature of the ultra-high energy cosmic rays

Submitted by Biblioteca do Instituto de Física (bif@ndc.uff.br) on 2017-02-20T18:40:57Z No. of bitstreams: 1 Tese_Jaime_Souza_de_Oliveira_julho_2016.pdf: 15333015 bytes, checksum: 0553ac5f9d75c22b81dccf4042511eb6 (MD5)
Made available in DSpace on 2017-02-20T18:40:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Tese_Jaime_Souza_de_Oliveira_julho_2016.pdf: 15333015 bytes, checksum: 0553ac5f9d75c22b81dccf4042511eb6 (MD5)
Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro
Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico
O início deste estudo de doutorado, em 2012, coincidiu com a celebração do primeiro centenário da descoberta da radiação cósmica. Embora nosso conhecimento sobre estas partículas tenha aumentando consideravelmente ao longo do último século, ainda há muitas questões que necessitam ser elucidadas, principalmente para aquelas com energias acima de 1018 eV, denominadas raios cósmicos de energia ultra alta. A razão para isso é que o fluxo destas partículas é extremamente pequeno, indo de uma partícula por km2 por ano, na faixa de energia de 1018 eV, a uma partícula por km2 por século, em energias ainda mais elevadas. Para compensar este baixo fluxo de partículas, foram construídos observatórios enormes nas últimas décadas, sendo o maior deles, o Observatório Pierre Auger, foco dos estudos realizados nesta tese. Embora o Observatório Auger, em operação desde 2004, venha realizando descobertas significativas com respeito aos raios cósmicos ultra-energéticos, ainda não se sabe, de maneira indubitável, quais são suas fontes, composição química, mecanismos de aceleração e propagação. Em especial, o estudo de anisotropias nas direções de chegada dos raios cósmicos à Terra é de fundamental importância para o entendimento destas questões. Assim, a principal contribuição desta tese trata de um estudo em multirresolução de anisotropias no fluxo dos raios cósmicos detectados no Observatório Auger, com energias acima de 4×1018 eV. Para isso, medidas do espectro de potência angular foram realizadas sob nossa responsabilidade, enquanto que uma análise complementar, utilizando needlets, foi empregada por um grupo de físicos da Universidade de Aachen, Alemanha. Ainda no contexto de anisotropia, destacamos um outro estudo realizado nesta tese, no qual mostramos não haver inconsistência entre resultados obtidos em duas análises distintas, uma usando somente dados da Colaboração Auger e outra usando também dados da Colaboração Telescope Array. Adicionalmente, também descrevemos um estudo relacionado ao aprimoramento dos detectores de superfície do Observatório Pierre Auger, no qual mostramos que os tanques de radiação Cherenkov podem ser calibrados e terem sua performance avaliada com a colocação de um detector de múons sob eles.
In 2012, the beginning of this Ph.D study coincided with the celebration of the first centenary of the cosmic radiation discovery. Although our knowledge these particles has increased considerably over the last century, there are still many issues to be clarified, particularly for those with energies above 1018 eV, called ultra high energy cosmic rays. The reason for this is that the flux of these particles is extremely low, from one particle per km2 per year at 1018 eV to one particle per km2 per century at even higher energies. In order to compensate this very low flux of particles, large observatories were built in recent decades. The largest one is the Pierre Auger Observatory, focus of the studies performed in this thesis. Although the Auger Observatory, in operation since 2004, has been reporting breakthroughs with regard to ultra-high energy cosmic rays, there is still no consensus related to their sources, chemical composition, acceleration and propagation mechanisms. Particularly, the study of anisotropies in the cosmic ray arrival directions is of fundamental importance for the understanding of these issues. Thus, the main contribution of this thesis is a multi-resolution anisotropy study of the cosmic ray flux detected in the Auger Observatory with energies above 4 × 1018 eV. To this goal, the angular power spectrum were performed under our responsibility, while one additional analysis, using needlets, was used by a group from Aachen University, Germany. Still within the context of anisotropy, we reported another study of this thesis, in which it was shown that there is no inconsistency between results obtained in two different analysis, one using only data obtained by the Auger Collaboration and another one using events from Auger and Telescope Array collaborations. In addition, we also described a different study related to the upgrade of the surface detectors of the Pierre Auger Observatory, in which we showed that the water Cherenkov tanks can be studied and calibrated by placing a muon detector under them.

Orientador: Carola Dobrigkeit Chinellato
Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin
Made available in DSpace on 2018-08-17T01:52:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Souto_BrunoFontes_M.pdf: 1947654 bytes, checksum: a1d7f70ebf2510a975c39b16829bf94a (MD5) Previous issue date: 2010
Resumo: O objetivo deste trabalho é aplicar umteste que visa determinar se as direções de chegada dos raios cósmicos de energias mais altas (> 1019 eV) observados pelo Observatório Pierre Auger seguem uma distribuição isotrópica. Sua principal vantagem é dispensar o uso de catálogos de objetos astrofísicos. Igualmente, procura-se uma correlação das direções de chegada com a região conhecida como Plano Supergaláctico. Dá-se ênfase na motivação, interpretação e na visão geral sobre anisotropia de raios cósmicos surgida nos últimos anos. O resultado obtido com os dados atuais neste trabalho é que de fato existe uma anisotropia nas direções de chegada, embora esta ainda seja difícil de caracterizar
Abstract: In this work, we apply a test designed to answer the question of whether the arrival directions of the highest energy (> 1019 eV) events observed by the Pierre Auger Observatory are consistent with being drawn from an isotropic distribution. Its main advantage is that the method does not rely on any catalogue of astrophysical objects. Furthermore, a correlation of the arrival directions with the region known as Supergalactic Plane is investigated. Emphasis is put on motivation, interpretation and on the global picture of cosmic ray anisotropy that has emerged during the last years. The result found so far from the current data in this work is that an anisotropy in the arrival directions indeed exists, even so it is still difficult to characterize
Mestrado
Raios Cósmicos
Mestre em Física

The cosmic rays are the most energetic particles in the universe. Their production, propagation, and detection are objects of studies. Surface detectors aim to identify particles from extensive air showers (EAS) which the result from the cosmic-ray interactions with the atmosphere. Resistive Plate Chambers (RPCs) have shown to be a suitable muon detector to be integrated into the Pierre Auger Observatory. An instrumentation was developed to assembly RPCs in São Carlos (BRA). Data from RPCs already built by our collaborators in Coimbra (POR) were analyzed. The detector efficiency to muons was calculated and is approximately 88%, which is in good agreement with the values quoted in the literature. Direction maps were built to investigate the muon incoming direction and the quantity of matter traversed by the muons. The dependence of the muon flux on the zenith angle was calculated and compared with results from the simulation. A square cosine dependence is expected, though it is seen that the building structure has enough matter to block some of the incident muons and alter the dependence curve. The total muon flux was estimated based on the detector efficiencies and solid angle as 1.6.10−5. mm−2.sr−1. s−1 compared with the literature value of 7.1.10−5 mm−2.sr−1.s−1, which gives an absorption by the building of approximately 77%.
Os raios cósmicos são as partículas mais energéticas do universo. Sua produção, propagação e detecção são objetos de estudos. Os detectores de superfície têm como objetivo identificar partículas dos chuveiros atmosféricos extensos (EAS), o qual é o resultado das interações do raio cósmico com a atmosfera. A Câmaras de Placas Resistivas (RPCs) demonstra ser um detector de múons adequado para ser integrado ao Observatório Pierre Auger. Foi desenvolvida em São Carlos (BRA) uma instrumentação para montagem de RPCs. Dados de RPCs já construídas por nossos colaboradores em Coimbra (POR) foram analisados. A eficiência dos detectores para múons foi calculada como sendo de aproximadamente 88%, o que está de acordo com os valores citados na literatura. Mapas de direção foram construídos para investigar a direção de chegada e a quantidade de matéria atravessada pelos múons. A dependência do fluxo de múons com o ângulo zenital foi comparada com os resultados da simulação. Embora uma dependência com o quadrado do cosseno é esperada, foi constatado que a estrutura do prédio tem matéria suficiente para bloquear parte dos múons incidentes e alterar a curva da dependência. O fluxo total de múons foi estimado baseado nas eficiências do detector e no ângulo sólido é de 1.6.10−5 mm−2.sr−1.s−1. Comparado com o valor da literatura de 7.1.10−5 mm−2.sr−1.s−1 resulta em uma absorção pelo prédio de aproximadamente 77% do fluxo de múons.

Près d'un siècle après leur découverte, les rayons cosmiques sont encore sujets à de nombreuses interrogations. À ultra-haute énergie (UHE), leur nature, leur origine et leur mécanisme de production restent encore inconnus malgré les avancées expérimentales. L'observatoire Pierre Auger est actuellement l'expérience incontournable pour tenter de répondre à ces questions. Dans ce contexte, l'étude et la recherche de neutrinos à UHE sont susceptibles d'apporter des informations encore manquantes au puzzle des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie, notamment quant à leur mécanisme de production ou leur origine. C'est dans ce cadre que s'inscrit cette thèse, centrée sur la recherche de neutrinos à UHE à l'observatoire Pierre Auger et plus particulièrement sur l'étude des neutrinos arrivant sous l'horizon (i.e. à incidence rasante) et interagissant dans la croûte terrestre. Dans une première partie, le contexte phénoménologique et expérimental dans lequel s'inscrit cette thèse est introduit. Dans une seconde partie, nous présenterons tout d'abord notre étude des incertitudes systématiques sur les modèles d'interactions à UHE des neutrinos et des leptons tau à travers une analyse revisitée des neutrinos tau à incidence rasante. Cette étude s'inscrit dans le cadre de la combinaison des résultats des différents canaux de détection de l'observatoire qui a permis de poser une limite compétitive sur les flux de neutrinos à UHE, au delà de la limite de Waxman et Bahcall. Nous présenterons ensuite notre travail effectué sur les neutrinos électroniques à incidence rasante. Ces derniers engendrent, en interagissant dans la croûte terrestre, des gerbes électromagnétiques souterraines soumises à l'effet LPM (Landau, Pomeranchuk et Migdal) qui entraîne un retard de leur développement et augmente leur probabilité de détection. Une chaîne complète de simulation de ce canal a été développée afin d'évaluer la sensibilité de l'observatoire à ces évènements. Enfin, dans le cadre de propositions d'améliorations de l'observatoire en vue d'accroître ses performances à partir de 2015, nous présentons l'étude que nous avons effectuée sur l'impact d'une nouvelle électronique d'acquisition et de nouveaux modes de déclenchements sur l'efficacité de détection des neutrinos à incidence rasante par les stations du réseau au sol
Nearly one century after their discovery, cosmic rays are still subject to many questions. In particular at ultra-high energy (UHE) where their nature, origin and production mechanism are still unknown despite numerous experimental advances. The Pierre Auger observatory is currently the key experiment to try to answer these questions. In this context, the search for UHE neutrinos remains a major challenge for astroparticle physics. Their study is likely to bring informations that are still missing to the ultra-high energy cosmic ray puzzle regarding their origin and production mechanism. This thesis focuses on the search for UHE neutrinos at the Pierre Auger observatory and particularly on neutrinos arriving below the horizon (i.e. earth skimming) and interacting in the earth crust. In a first part, the phenomenological and experimental context is introduced. In a second part, we first present our study of systematic uncertainies on interactions models of UHE neutrinos and tau lepton through a revisited analysis of earth skimming tau neutrinos in the context of the combination of the results of the different observatory's detection channels. This combination allowed to put a competitive limit on the UHE neutrinos flux, beyond the Waxman and Bachal limit. We will then show our work on earth skimming electron neutrinos. They produce, by interacting in the earth crust, underground electromagnetic showers subject to the LPM (Landau, Pomeranchuk and Migdal) effet which causes a delay in their development and increaase their detection probability. A complete simulation chain of this channel was developed in order to estimate the sensitivity of the observatory to such events. Finally, in the context of proposals to upgrade the observatory in order to improve its performance beyond 2015, we present the study we have performed about the impact of a new acquisition electronic and new triggers on the earth skimming neutrinos detection efficiency by the stations of the ground array

Orientador: Ernesto Kemp
Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin
Made available in DSpace on 2018-08-14T11:18:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Almeida_RogerioMenezesde_D.pdf: 29880310 bytes, checksum: a6d709505699fa646136930c8822d569 (MD5) Previous issue date: 2009
Resumo: Quase um século após o descobrimento da radiação cósmica, sua origem, composilção, mecanismos de aceleração e propagação pelo universo são ainda desconhecidos para a faixa de energia ultra-alta (E >~ 10 18 eV). O mistério torna-se ainda maior devido à supressão (corte GZK) no uxo dos raios cósmicos com energias E >~ 6 × 10 19 eV, devido à interação destas partículas com a radiação cósmica de fundo, previsto há cerca de 40 anos. Assim, espera-se que os raios cósmicos com energia acima deste limiar sejam provenientes de fontes distantes em até ~ 200 Mpc. Uma vez que nosso universo local é bastante heterogêneo e a rigidez magnética destas partículas é bastante elevada, espera-se que a distribuição das direções de chegada dos raios cósmicos de energia ultra-alta possa ser correlacionada com as direções de suas fontes, refletindo a anisotropia do universo local. Neste sentido, estudos de anisotropias nas direções de chegadas de tais partículas desempenham papel crucial na investigação da radiação cósmica e compreensão do universo. Este trabalho dedica-se ao estudo de anisotropias de pequena e larga escalas. No primeiro caso, procuramos UHECR¿s correlacionados com o surto gigante de radiação gama emitido pelo SGR 1806-20 em dezembro de 2004. Outro caso estudado é a análise de direções da esfera celeste com excessos de raios gama com significâncias estatísticas maiores que 4s, não associadas a fontes conhecidas, reportadas pela Colaboração JANZOS. Ainda com relação a anisotropias de pequena escala, são estudadas aplicações de filtros de wavelets para detecção de fontes pontuais. No contexto de anisotropias de larga escala, relacionadas a grandes distribuições de matéria, desenvolvemos um método de identificação de anisotropias independente de catálogos de objetos celestes, chamado MIIE. Testamos sua eficiência através de testes de hipóteses e o aplicamos a conjunto de eventos com energia extrema obtidos de dados do Observatório Pierre Auger
Abstract: Almost a century after the discovery of cosmic radiation, their origin, composition, acceleration and propagation mechanisms in the universe is still unknown for the ultra-high energy component ( > ~ 1018 eV). The mystery grows due to the suppression (GZK cutoff) in the ux of cosmic rays with energies E >~ 6 × 10 19 eV, caused by the interaction of these particles and the cosmic microwave background, predicted ~ 40 years ago. Thus, it is expected that cosmic rays with energy above this threshold are produced in sources within ~ 200 Mpc. Since our local universe is very inhomogeneous and the magnetic rigidity of these particles is very high, it is expected that the distribution of the arrival directions of ultra-high energy cosmic rays can be correlated with the directions of their sources, reflecting the anisotropy of our local universe. In this way, anisotropy studies play crucial role in the research of cosmic radiation and understanding of the universe. In this work, small-scale anisotropy, related to the study of point sources, are studied searching for UHECR¿s correlated with the giant are from SGR 1806-20 in December 2004. We have also analized directions with an excess of gamma rays with statistical significance S > 4s, not associated with any known sources, reported by the JANZOS Collaboration. Also, in this thesis wavelets are applied in the detection of point sources. In the context of anisotropy related to large distributions of matter, called large scale anisotropy, we propose a new anisotropy identification method independent of catalogs, so-called MIIE. We test its efficiency through hipothesis tests and apply it to events set obtained from the Pierre Auger data
Doutorado
Física das Particulas Elementares e Campos
Doutor em Ciências

L'observatoire Pierre Auger est une expérience de détection du rayonnement cosmique aux plus hautes énergies jamais mesurées. Ce dernier possède deux sous-ensembles de détection différents et complémentaires qui lui confèrent des capacités sans précédents pour l'étude du rayonnement cosmique. Le détecteur est également sensible aux neutrinos de ultra haute énergie, et ce bien qu'il n'ait pas été conçu dans ce but. Au cours de cette thèse, un programme de simulation a été développé afin d'étudier la propagation et l'interaction des neutrinos taus dans la croûte terrestre, travail nécessaire à l'étude du premier des deux canaux de détection possible, mettant en jeu des neutrinos de type tau traversant la terre sur une faible épaisseur, et venant interagir dans la roche à proximité du détecteur. En plus de fournir la probabilité de conversion neutrino-tau, nécessaire pour le calcul de l'acceptance du détecteur, celui-ci a également permis d'étudier en détail des processus liés à la propagation des particules dans la roche, permettant de mieux comprendre leur impact sur les résultats de l'analyse. La seconde partie du travail concerne les neutrinos interagissant directement dans l'atmosphère, à la manière des rayons cosmiques classiques. Pour ce deuxième canal de détection, un critère de sélection a été développé à partir de la comparaison de simulation de gerbes atmosphériques, induites par des neutrinos de ultra haute énergie, avec les données brutes du détecteur. L'étude des neutrinos à l'observatoire Pierre Auger a permis d'obtenir deux limites sur le flux diffus de neutrinos de ultra haute énergie, parmi les plus contraignantes à des énergies de l'ordre de l'EeV.

CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO
O Observatório Pierre Auger, cuja construção na Província de Mendoza, na Argentina está na sua fase final, tem por objetivo medir as características dos raios cósmicos de grande energia. O Observatório está produzindo dados desde o início de 2004, à medida em que a rede de detectores vai aumentando. Um dos principais temas de pesquisas, usando os dados produzidos pelo detector, é o exame da anisotropia na direção de origem dos raios cósmicos energéticos. Para isto é necessário entender-mos a resolução angular do detector. Nesta tese, estudamos a resolução angular dos detectores de Superfície (ou detectores de radiação de Cherenkov). O principal elemento que limita a acuracidade angular dos detectores de superfície é a precisão temporal do registro dos sinais de chegada dos raios cósmicos. Este estudo está baseado na comparação dos sinais em um conjunto de tanques que estão muito próximos um do outro (11 metros).
The Pierre Auger Observatory, in the Province of Mendoza Argentina, is in its final phases of construction. Its aimed to determine the characteristics of high energy cosmic rays. The Observatory is collecting data since the beginning of 2004, while the size of the array continue increasing. One of the main topics of research of Auger, is the study of the anisotropy of the arrival direction of the energetic cosmic rays. For that purpose it is necessary to have a good estimative of the angular resolution of the detector. The main limiting element on the accuracy of the angular determination is the arrival time of the particles generated by the cosmic ray in the detectors. In this thesis we study the angular resolution of the Surface Detector (or the Cherenkov radiation detector). This study is based on the comparison of the signals in a subset of detectors deployed very close one from the other (11 m).

Orientador: Carola Dobrigkeit Chinellato
Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin
Made available in DSpace on 2018-08-04T03:39:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Selmi-Dei_DanielPakk_M.pdf: 2342914 bytes, checksum: 162b44347e391de172fb12130f4bad2a (MD5) Previous issue date: 2005
Resumo: Esta dissertação cobre a análise dos primeiros eventos detectados simultaneamente pelos tanques de superfície e telescópios de fluorescência durante a fase de prototipagem do Observatório Pierre Auger, na Argentina, entre dezembro de 2001 e abril de 2002. Há muitos anos diversos experimentos espalhados pelo mundo, dedicados à detecção de raios cósmicos, vêm coletando e montando uma estatística bem estabelecida do fluxo, direção de chegada, energia e composição química até 1019 eV através do constante desenvolvimento de novas técnicas. Ficou comprovado, porém, que radiação cósmica acima de 1020 eV existe, uma contradição com previsões teóricas que imediatamente abriu um leque de questões, variando desde qual origem extragalática poderiam ter, até o modo como se propagam pelo espaço. A riqueza e detalhamento que o estudo dessas partículas envolve são sintetizados em três partes neste trabalho. O primeiro capítulo aborda a radiação desde suas mais prováveis fontes geradoras e mecanismos de aceleração, os efeitos a que está sujeita durante a propagação pelo espaço e, por fim, o conjunto de processos desencadeados a partir da chegada no topo da atmosfera terrestre até o nível do solo -o chamado chuveiro atmosférico extenso. Com essa motivação inicial, a segunda parte abrange a totalidade do que será o Projeto Auger em sua fase final: um observatório que emprega as duas técnicas mais bem sucedidas já utilizadas em outros experimentos de menor porte, juntamente com a física, a matemática e o embasamento computacional da análise e reconstrução das propriedades que caracterizam uma partícula primária. No último capítulo é colocado em prática tudo o que foi discutido no anterior , com algumas restrições existentes na época em questão. A mais evidente é o funcionamento do observatório como um protótipo, quando foram operadas apenas parte de um olho (conjunto de telescópios de fluorescência) e do arranjo de solo. Outra são os códigos disponibilizados para análise pela colaboração, em constante desenvolvimento em paralelo com simulações. Uma análise completa da reconstrução geométrica e energética de todos os eventos registrados é apresentada e depois confrontada com resultados de outros membros da colaboração, dando um panorama geral do que se propõe o projeto no futuro, quais seus principais aspectos a serem melhorados e que ferramentas de análise ainda devem ser desenvolvidas
Abstract: This dissertation covers the analysis of the first events detected simultaneously by water tanks and fluorescence telescopes during the prototype phase of the Pierre Auger Observatory, between December 2001 and April 2002. For years several experiments over the world dedicated to the detection of cosmic rays collected and built a well established statistics for the flux, arrival direction, energy and chemical composition up to 1019 eV with the constant development of new techniques. It is a fact, though, that cosmic radiation over 1020 eV exists, a contradiction to previous theoretical results that immediately raises questions like which extragalactic origin they could have or how they propagate through space. The richness and level of detail involved in the study of such particles are synthesized in three parts in this work. The first chapter approaches cosmic radiation from its most likely sources and acceleration mechanisms, the effects to which it is subjected during propagation through space and, at last, the set of processes caused by the arrival at the top of the Earth's atmosphere to the ground level -the so-called extensive air shower . After this initial motivation, the second part covers the totality of what is to be the Auger Project in its final phase: an observatory that employs the two most successful techniques ever used in other smaller-scale experiments, along with the physics, mathematics and computational basis of the analysis and reconstruction of the properties that characterize a primary particle. Everything discussed previously is put into practice in the last chapter, with some of the restrictions at the time. The most evident is the operation of the observatory as a prototype, when only parts of one eye (set of fluorescence telescopes) and surface array were available. Another one are the codes available to analysis by the collaboration, in constant development in parallel with simulations. A complete analysis of the geometry and energy reconstruction of all events registered is presented and cross-checked with results from other collaboration members, giving a general view of the project's proposal for the future, its main aspects to be improved and which analysis tools are still to be developed.
Mestrado
Física
Mestre em Física

Orientador: Carola Dobrigkeit Chinellato
Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin
Made available in DSpace on 2018-08-03T19:06:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 SouzaFilho_LuizVitorde_D.pdf: 10858917 bytes, checksum: a5dbef1c1eccba96e3491c646793d681 (MD5) Previous issue date: 2004
Resumo: Esta tese é inteiramente dedicada à construção e ao início da análise de dados do Observatório Auger. A escolha do tema da dissertação reflete a crença nas pessoas envolvidas nesta Colaboração Internacional de 19 países e revela nosso julgamento sobre as importantes questões a serem respondidas por esse experimento. Infelizmente, esta tese se encerra antes que o número de eventos detectados pelo Observatório, devido ao curto tempo de operação, seja suficiente para produzirmos resultados físicos signi½cativos. Porém, esperamos mostrar até o final desta dissertação que os instrumentos de medidas foram compreendidos e as ferramentas de análise desenvolvidas e testadas de forma satisfatória durante a operação do protótipo. No primeiro tema deste trabalho abordamos o anel corretor do telescópio de fuorescência. Faremos uma rápida descrição do processo de construção na fábrica Schwantz em Indaiatuba e mostraremos um estudo detalhado da eficiência do anel corretor baseado em fotos da estrela Vega tiradas em um dos telescópios do Observatório Auger. Em seguida, descreveremos o programa de simulação de luz de fluorescência por nós desenvolvido a partir do programa CORSIKA. Novas rotinas foram introduzidas no CORSIKA para gerar fótons de .uorescência a partir de cada partícula carregada no chuveiro. Esta abordagem permite, pela primeira vez, uma descrição tridimensional da emissão de luz de fluorescência no chuveiro. Utilizando nosso simulador foi possível estudar a possibilidade de detectarmos a distribuição lateral de um chuveiro atmosférico com os telescópios de fluorescência do Observatório Auger. Uma estimativa da capacidade de medida será apresentada no Capítulo 4. Por último apresentaremos a descrição de um método de reconstrução da direção de chegada do chuveiro utilizando simultaneamente dados dos tanques com água e dos telescópios de .uorescência. Esta técnica híbrida foi re-estudada a partir de novos programas de reconstrução e detalhadas simulações dos detectores. Esta reconstrução por nós desenvolvida foi utilizada para determinar a resolução da técnica para diferentes energias, diferentes partículas primárias e diferentes suposições de descrição do chuveiro. O mesmo programa foi utilizado para produzir uma taxa de elongação preliminar com os dados do protótipo
Abstract: This work is devoted to the construction and the beginning of the data analysis of the Auger Observatory. The choice of the subject for this thesis illustrates our belief in the people involved in this International Collaboration of 19 countries and shows our judgment about the importance of the questions to be answered by this experiment. Unfortunately, this thesis ends before the Observatory had time to detect enough events to produce significant physical results. However, we expect to show in this essay that the instruments have been understood and the analysis tools have been developed and tested satisfactorily during the operation of the prototype. The first subject of this work is the corrector ring of the fluorescence telescopes. We are going to quickly describe the construction of the lenses in the Schwantz Industry (Brazil) and we are going to show a detailed study of the efficiency of the ring based on pictures of the Vega star taken in one of the telescopes of the Auger Observatory. In addition, a new program to simulate fluorescence light is going to be described. We have incorporated new routines into the CORSIKA program in order to generate fluorescence photons for each charged particle in the shower. This approach allows a tridimensional description of the emission of photons never done in the past. As a application of this program we have determined the possibility of measuring the lateral profile of extensive air showers with the Auger Telescopes. As last, we are going to discuss a reconstruction method of the direction of the shower using simultaneously data from the fluorescence telescopes and the water tanks. The hybrid technique has been re-studied with new reconstruction and detailed detector simulation programs. The reconstruction program we have developed was used to determine the reconstruction resolution for various energies, diÿerent primary particles and diÿerent description of the showers. The same program was also used to produce a preliminary elongation rate for the data detected by the prototype
Doutorado
Física
Doutor em Ciências

L'Observatoire Pierre Auger a été spécialement conçu pour acquérir une statistique importante de rayons cosmiques d'ultra haute énergie (supérieure à 1019 eV) afin d'en comprendre l'origine. Il associe deux techniques de détection des gerbes atmosphériques, produit de l'interaction des rayons cosmiques avec l'atmosphère : des télescopes à fluorescence mesurent le profil longitudinal de la gerbe et un réseau de détecteurs au sol échantillonne le profil latéral. Après une présentation sur les rayons cosmiques, la détection des gerbes atmosphériques par l'Observatoire Pierre Auger est exposée. Le troisième chapitre est consacré à la description d'outils qui ont été réalisés dans le cadre de la mise en place de la base de données de l'expérience au Centre de Calcul de l'IN2P3 à Lyon. Nous abordons ensuite les analyses que nous avons pu mener grâce à la mise en place du réseau prototype sur le site sud de l'Observatoire. Dans un premier temps, les événements enregistrés ont permis d'étudier différentes constantes de calibration des détecteurs de surface. Nous nous sommes ensuite consacrés à la reconstruction des événements, 11 mois de prise de données ont été analysés. Enfin, une analyse Monte Carlo a été menée pour déterminer la nature de ces rayons cosmiques. Trois paramètres des gerbes atmosphériques, mesurables par le détecteur de surface et permettant de discriminer entre les différents types de particules primaires, ont été extraits et comparés avec les données du réseau prototype.

L'Observatoire Pierre Auger a été spécialement conçu pour acquérir une statistique importante de rayons cosmiques d'ultra haute énergie (supérieure à 10^19 eV) afin d'en comprendre l'origine. Il associe deux techniques de détection des gerbes atmosphériques, produit de l'interaction des rayons cosmiques avec l'atmosphère: des télescopes à fluorescence mesurent le profil longitudinal de la gerbe et un réseau de détecteurs au sol échantillonne le profil latéral. Après une présentation sur les rayons cosmiques, la détection des gerbes atmosphériques par l'Observatoire Pierre Auger est exposée. Le troisième chapitre est consacré à la description d'outils qui ont été réalisés dans le cadre de la mise en place de la base de données de l'expérience au Centre de Calcul de l'IN2P3 à Lyon. Nous abordons ensuite les analyses que nous avons pu mener grâce à la mise en place du réseau prototype sur le site sud de l'Observatoire. Dans un premier temps, les événements enregistrés ont permis d'étudier différentes constantes de calibration des détecteurs de surface. Nous nous sommes ensuite consacrés à la reconstruction des événements, 11 mois de prise de données ont été analysés. Enfin, une analyse Monte Carlo a été menée pour déterminer la nature de ces rayons cosmiques. Trois paramètres des gerbes atmosphériques, mesurables par le détecteur de surface et permettant de discriminer entre les différents types de particules primaires, ont été extraits et comparés avec les données du réseau prototype
The Pierre Auger Observatory was especially designed to obtain significant statistics on ultra high energy cosmic rays (more than 10^19 eV) in order to understand their origin. It associates two detection techniques for the atmospheric showers which result from the interaction of cosmic rays with the atmosphere: fluorescence telescopes measure the longitudinal profile of the shower and an array of detectors on the ground samples the lateral distribution. After a first chapter introducing cosmic rays, the detection of atmospheric showers by the Pierre Auger Observatory is presented. The third chapter is dedicated to the description of tools that were realized as part of bringing the experiment's database into service at the IN2P3 Computing Center at Lyon. We then present the analysis of data available thanks to the installation of the engineering array (EA) on the Observatory's southern site. Initially, the recorded events allowed us to study various calibration constants of the surface detectors. Subsequently, our work was devoted to the reconstruction of the events, 11 months of data were analysed. Lastly, we present a Monte Carlo analysis performed in view of determining the nature of these cosmic rays. Three parameters of the atmospheric showers, measurable by the surface detector and providing discrimination between different primary particles, were extracted and compared with the data of the EA

Conçu pour mieux comprendre l'origine des rayons cosmiques aux ultra-hautes énergies, l'Observatoire Pierre Auger a commencé une période de prise de données devant s'étendre sur 20 années. Il pourra ainsi obtenir une statistique suffisante aux plus hautes énergies, pour déterminer l'existence ou non de la coupure GZK. Utilisant simultanément deux techniques de détection des gerbes atmosphériques, l'une au sol et l'autre par détection de la lumière de fluorescence, il devrait permettre de déterminer avec une précision sans précédent, aussi bien l'énergie de ces rayons cosmiques que leurs directions d'arrivée et leur nature. Apres une introduction sur les propriétés générales des rayons cosmiques, les modes de production aux plus hautes énergies sont présentes. Nous nous sommes ensuite attachés à un modèle particulier de production, considérant la désintégration de particules super massives reliques, le but étant de déterminer des contraintes sur les temps de vie de ces particules. Après avoir présenté les principes de détection des gerbes atmosphériques et l'Observatoire Pierre Auger, nous considérons la méthode hybride de détection : la mise en place d'une chaine de simulation et la realisation de tirs lasers hybrides ont permis de determiner les performances associées à ce type de détection ainsi que de vérifier la cohérence en temps des horloges des deux détecteurs, essentielle à la méthode utilisée. Enfin, les données de la phase de preproduction ont permis de vérifier les performances des différents types de reconstruction : par le détecteur de fluorescence seul, le detecteur au sol et par la méthode hybride. A partir de ces données, une première comparaison des énergies ainsi qu'une analyse des anisotropies ont été réalisées
Especially designed for a better understanding of the origin of the Ultra-High Energie Cosmic Rays (E>1019 eV), the Pierre Auger Observatory is now starting a period of data taking expected to last of 20 years. It will obtain enough statistics at the highest energies to determine wether or not the GZK cut-off exists. Using simultaneously two atmospheric shower detection techniques, the first at ground level and the second detecting the fluorescence light, it should make it possible to determine the energies as well as the arrival directions and nature of these particules with better accuracy. After an introduction covering the general properties of cosmic rays, the production mecanisms at the highest energies are presented. We then focus on one particular mechanism of production, considering the decay of ultra-heavy relic particules, the aim being to determine limits on the life-time of such particles. After having presented air-showers detection techniques and the Pierre Auger Observatory, we consider hybrid detection: hybrid simulation and analysis of hybrid laser shots have allowed us to evaluate the performance of this method. They also have made it possible to investigate the relative timing of both detectors which is essential for the considered technique. Finally, the data recorded during the Preproduction period have allowed us to check the precision of different detections:the surface detector alone, the fluorescence detector alone and the hybrid method. Thanks to these data, a preliminar comparison of energy values and an analysis of the arrival directions anisotropies have been done

Orientador: Jose Augusto Chinellato
Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin
Made available in DSpace on 2018-08-10T12:36:27Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Muller_MarcioAparecido_D.pdf: 7258738 bytes, checksum: 730b20e67024246249997d646e724bed (MD5) Previous issue date: 2007
Resumo: Este projeto contribui para a caracterização do sinal da passagem da frente de um Chuveiro Atmosferico Extenso no Detector de Superficie do Observatório Pierre Auger. Usando uma simulação do módulo básico do Detector de Superfície, que é um tanque Cherenkov, foi realizado um estudo do sinal depositado para cada tipo de partícula da frente do Chuveiro Atmosférico Extenso, individualmente, e depois da razão entre os sinais provenientes da componente hadrônica e das componentes comumente consideradas (componente eletromagnética + componente muônica) para alguns casos. Foram injetadas no tanque, individualmente, as partículas que ocorrem num Chuveiro Atmosférico Extenso, com valores discretos de energia no intervalo de eV até 10 TeV . Com isso, obtivemos "curvas resposta" do detector para cada partícula - essas curvas são equivalentes a distribuições de probabilidade para o número de fótons coletados (fótons que efetivamente geraram sinal nas fotomultiplicadoras) no tanque Cherenkov. Do conjunto de valores discretos de "curvas resposta", obtivemos, por interpolação, expressões gerais cobrindo toda a faixa de energia acima citada, ou seja, obtivemos uma parametrização geral do sinal (ainda preliminar, com pequenas melhorias numéricas a serem feitas), para qualquer partícula e a qualquer energia. Segundo testes já feitos, tal parametrização deve implicar em economia de tempo de processamento da ordem de milhares de vezes, o que será útil para futuros cálculos no projeto Auger. Partindo de chuveiros simulados na atmosfera através do software Corsika e usando a parametrização geral acima citada, obtivemos a razão da contribuição dos hádrons com relação 'as demais componentes da frente do chuveiro, nas condições do Observatório, ou seja, nas faixas de energia acima de 10 18 eV , para diferentes primários e na geometria típica do Observatório Pierre Auger. Conhecendo tais fatores, poderemos contribuir para uma calibração do sinal, de modo a poder corrigir a estimativa da energia do primário do chuveiro, que entra no cálculo do uxo de raios cósmicos primários. Esse é um item de bastante interesse na área. Nos cálculos deste trabalho, adicionamos ao tratamento tradicional das interações hadrônicas, o regime de baixas energias do Geant4. No nosso caso, merecem atenção especial as interações de nêutrons, principalmente porque o alvo considerado além dos tanques Cherenkov do Observatório inclui uma camada de solo abaixo deles, onde os nêutrons podem dar contribuição significativa. Dado que o sinal dos tanques é usado em várias condições de "trigger" para a determinação da energia do primário, teremos condições de computar a contribuição dos hádrons (principalmente nêutrons), com seu sinal e suas flutuações, para as incertezas nessa energia. Estamos contribuindo para um objetivo básico do Observatório Pierre Auger, que é estimar a energia do raio cósmico primário no topo da atmosfera
Abstract: This project contributes to the effort of characterizing the passage of Extensive Air Shower fronts through the Surface Detector of the Pierre Auger Observatory. Using a Geant4 simulation of the Cherenkov tank that is basic module of the SD, we performed a study on the electronic signal for each kind of shower particle individually at first, and then on the signal ratio between hadronic and electromagnetic + muonic component, for some cases. The particles that occur in a Extensive Air Shower were injected into the tank individually, with discrete energy values in the range eV up to 10 TeV , with randomly distributed coordinates. Thus we obtain, for each particle "response curves" which works equivalent as a the probability distribution for the number of collected photons (these photons generated a signal in the photo-multipliers). From the set of discrete samples of "response curves", we obtain, by interpolation, general expressions that cover the entire range of energies - i.e., we obtain sets of parameters of the signal (still preliminary, with small numerical improvements to be made), for any particle, at any energy in the above mentioned range. According to tests, this parametrization results in a remarkable improvement to the CPU time - the simulation turns out to be some thousand times faster than the extensive calculation. This will be usefull for future calculations in the Auger project. Starting from Corsika simulated air showers, using the parametrization above mentioned, we obtain the mentioned ratio of the signal (hadronic to eletromagnetic + muonic component), range energy above 10 18 eV , for different primaries. Since the contribution of hadrons (signal plus uctuations) is, in general not taken into account in shower reconstruction, this study can contribute to a better characterization of the signal in the tank and thus to the estimate of shower primary energy. In our calculations, we added to the commonly used treatment of hadronic interactions, the low energy regime of Geant4. In particular, neutrons deserve special treatment, mainly because in addition to the Cherenkov tank itself, we considered another target, which is a soil layer under the tank - where neutrons can make significant contribution to the signal. Including the hadron contribution (signal and uctuations) to the whole tank signal, under different trigger conditions, we will be able to contribute to a better estimation of primary energy, mainly for its uctuations. We are contributing to a basic goal of the Observatory, which is to estimate the energy of the primary cosmic ray at the top of the atmosphere and thus the primary ux
Doutorado
Física das Particulas Elementares e Campos
Doutor em Ciências

Orientador: Anderson Campos Fauth
Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin
Made available in DSpace on 2018-08-13T19:51:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Consalter_DanielMartelozo_M.pdf: 4699027 bytes, checksum: 410a5e77c9dca5e205ac6f413844f032 (MD5) Previous issue date: 2009
Resumo: Os raios cósmicos de mais altas energias são hoje foco da atenção de muitos físicos ao redor do mundo.Estas partículas chegam a atingir energias acima 10 18 V,o equivalente a uma bola de baseball a 300 km/h,mas mecanismos de aceleração, propagação assim como a região onde são produzidos ainda são desconhecidos pela comunidade científica. Isso ocorre devido a dificuldade na detecção destas partículas, pois seu fluxo é baixíssimo: uma região com 1 km 2 de área é atingida por uma partícula por sr por ano. Este baixo fluxo obriga a construção de gigantescos experimentos como é o caso do Observatório Pierre Auger (OPA). Construído nos pampas argentinos, o OPA conta com 4 conjuntos de telescópios detectores de fluorecência atmosférica 1600 tanques detectores de radiação Cherenkov na água. A união das duas técnicas torna o Observatório Pierre Auger um detector híbrido. Este trabalho pode ser dividido em duas partes principais,sendo que a primeira consistiu no estudo do tanque Cherenkov instalado no Laboratório de Léptons da Universidade Estadual de Campinas, idêntico aos instalados no site do hemisfério Sul do Observatório Pierre Auger. Primeiramente finalizamos a instalação do detector, na qual instalamos novos componentes eletrônicos, escrevemos o software de aquisição de dados resolvemos o problema de umidade interna do ar que danificava os componentes eletrônicos instalados no tanque. Após a instalação completa, realizamos a caracterização do detector para múons atmosféricos individuais, selecionados a partir de um telescópio de múons formado por dois detectores cintiladores. Foi medido o tempo morto do sistema de aquisição de dados,determinadas as tensões de trabalho de cada uma das três fotomultiplicadora (PMT)e medida a carga do sinal produzido pelo múon passando verticalmente no centro do tanque,o VEM,obtendo 100 pC para o valor do pico do espectro de carga. Ao medirmos a resposta do sinal em função da distância entre a PMT a posição de passagem do múon vertical no tanque, pudemos observar uma dependência da carga média do tempo de atraso do sinal em função desta distância, na qual a soma da carga nas 3 PMTs manteve-se constante. Além disso, observamos que, nas medidas as quais o múon passa pela fotomultiplicadora, existe um pico duplo no espectro de tempo, sendo o primeiro pico produzido pelo sinal proveniente da interação do múon com o fotocátodo da PMT o segundo pelo sinal produzido pela passagem do múon na água. Finalizamos com a medida da resposta do sinal para múons selecionados inclinados na qual pode-se observar da linearidade da proporção entre a carga média do sinal e a quantidade de luz produzida pela passagem da partícula. A segunda parte do trabalho consistiu em analisar os dados detectados pelos detectores de superfície do Observatório Pierre Auger, no qual primeiramente, instalamos os softwares necessários para a realização da análise de dados através do ADST-OFFLINE. Foram analisados os raios cósmicos detectados desde 01 de janeiro de 2004 até 31 de dezembro de 2008 com energia acima de 3x1018 e V ângulos zenitais de direção de chegada entre 0 o e 60o. A partir destes dados construímos espectros diferenciais de fluxo de raios cósmicos para cada ano integrados a cada ano. A partir da análise destes gráficos pudemos confirmar que a partir de 2007 os número de eventos é suficiente para confirmar a supressão do fluxo de partículas com energia acima de 4x1019 e V devido ao efeito GZK. Confirmamos também que o espectro de raios cósmicos de altas energias é bem representado pela função F µ E -g ,cujo valor obtido para g do espectro construído a partir dos dados ntr 01 de janeiro de 2004 até 31 de dezembro de 2008 foi 2,69 ± 0,04 para o intervalo de energia entre 4x10 18 e V e 4x1018 e V e 3,5 ± 0,5 para energias acima de 4x1019 e V.
Abstract: The high energy cosmic rays actually are the center of attention of many physics around the world.These particle have energy above, equivalent a baseball with 300km/h, but the mechanism of acceleration, propagation even like the region that they are originated still unknown for the scientific community, fact that occurs due the difficult of detection from thes particles, because their flux is very low: a surface of 1 km 2 area is reached for one high energy particle per sr per year. This low flux obligates the build of giants experiments like Pierre Auger Observatory (PAO).Built in Malargue, Argentina,the PAO has 4 atmospheric fluorescence detectors and 1600 water Cherenkov tanks .The union of these two techniques made PAO a hybrid detector. This work can be divided in two principal parts, being the first a study of the water Cherenkov tank install d at Campinas that is identical of the tanks from South site of the Pi rre Auger Observatory. Firstly, we made a complete installation of the detector, in which was installed new electronic components, the data acquisition software was written and the internal humidity problem, that damages the electronic components, was solved. After the installation, we made a detector characterization using atmospheric muons selected by a muon telescope (2 scintillator detectors). We measured the dead time , working high voltage of each photomultiplier (PMT) and the medium charge produced by the vertical muon crossing the tank center (VEM), which value found was 100 pC. Measuring the signal dependence with the distance between the PMT and the position of the vertical muon, we could observe a decrease of the charge and increases of the time delay when this distance increase. But the sum of the charges in the 3 PMT kept constant. In addiction, we observed that, in the measure that the muons cross the photomultiplier there is a double peak in the time spectrum, being the first peak due the muon interaction with the photocathode and the second one by the Cherenkov light produced by the muon crossing the water. We completed the charact rization with the measurement of signal provided by inclined muon selected by the same telescope. These measurements show us the proportionality between the charge of the signal and the quantity of produced light by the particle. The second part of the work was the data analysis of the Pierre Auger surface detectors, in which firstly, we installed the software necessary to data analysis by ADST-OFFLINE. It was analyzed cosmic rays detected since 01 January 2004 until 31 December 2008 with energies above 3x1018 e V and zenith angle between 0o e 60o. From these data, we built differential cosmic rays spectra for each year and integrated yearly. This analysis shows that from 2007 the number of events is enough to confirm the flux suppression above 4x1019 e V due GZK effect. We also confirm that the high energy cosmic rays spectrum is well represented by the function F ¥ E,-g ,which g value measured for the spectrum with data acquired between 01 January 2004 and 31 December 2008 was 2,69 ± 0,04 in the energy range from 4x1018 e V until 4x1019 e V and 3,5 ± 0,5 for energy above 4x1019 e V.
Mestrado
Física das Particulas Elementares e Campos
Mestre em Física

Orientador: Carlos Ourivio Escobar
Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin
Made available in DSpace on 2018-08-03T19:37:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Peixoto_CarlosJoseTodero_M.pdf: 3956031 bytes, checksum: 4eff2bec5351ea343548019fb3497fbf (MD5) Previous issue date: 2003
Resumo: A compreensão da radiação cósmica - a saber: os mecanismos de produção/aceleração e os processos de propagação - passa pela determinação de três grandezas: a energia dessa radiação, sua direção de chegada e sua composição química. Essas três "frentes de trabalho":desafiam a experiência, a capacidade e a responsabilidade de vários grupos de físicos de partículas do mundo todo. Este trabalho se refere à composição do primário da radiação cósmica no âmbito da Colaboração Auger. Ele não tem a ambição de encontrar uma técnica denitiva para a obtenção deste parâmetro. Aliás, determinar a composição química do primário é algo difícil, tendo em vista a dependência de modelos de interação hadrônica e a impossibilidade (atual) de sua caracterizac¸ são evento a evento. Dos vários parâmetros usados para se estimar essa composição, tentamos analisar cinco deles: Xmax, t10-50 , t50-90 ,t10-90 , Plocal. Estes foram obtidos por meio de simulação¸ de Monte Carlo, através dos códigos CORSIKA e AIRES. A rede de detectores de superfície foi simulada usando-se o programa SAMPLE. Os resultados das simulações foram comparados, quando possível, a dados experimentais fornecidos pelo Engineering Array do sítio sul do Observatório Auger
Abstract: The understanding of cosmic radiation - the production/acceleration mechanism and the propagation processes - involves the determination of three parameters: the energy of this radiation, its arrival direction and the chemical composition. These three tasks have challenged the experience, the skill and responsibility of several groups of particle physicists over the whole world. This work refers to the primary cosmic ray composition in the scope of the Auger Collaboration. It does not intend to present a denite technique to obtain this parameter. As a matter of fact, to determine the primary composition is something difcult, considering the hadronic model dependence and the impossibility (nowadays) of its description event by event. Among the several parameters used to estimate the composition, we attempted to investigate ve of them: Xmax, t10-50 , t50-90 ,t10-90 , Plocal. They were obtained through Monte Carlo simulation with two different codes: CORSIKA and AIRES. The surface array was simulated by the SAMPLE program. The simulation results were compared, when possible, to experimental data from the Engineering Array of the Auger Observatory
Mestrado
Física
Mestre em Física

Orientador: Carlos Ourivio Escobar
Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin
Made available in DSpace on 2018-08-11T18:57:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Peixoto_CarlosJoseTodero_D.pdf: 15351567 bytes, checksum: 33b4f282f53a5669d23f8170b3bbf392 (MD5) Previous issue date: 2008
Resumo: Desde os primeiros Raios Cósmicos de alta energia detectados por Pierre Auger na década de 30, toda a comunidade de Física de Radiação Cósmica procura técnicas matemáticas e métodos estatísticos mais adequados para analisar estes eventos. Estes processos de análise são imprescindíveis na estimativa da energia da partícula primária, bem como no cálculo do ângulo de chegada q . A estimativa desta energia e do ângulo q é o final de toda uma rede de trabalho e o começo de uma nova linha de pesquisa na busca pelas possíveis fontes que produziram tais eventos. Ao longo deste trabalho refizemos o princípio de reconstrução dos "chuveiros de Auger", os chamados "Chuveiros Atmosféricos Extensos" ( C.A.E.), utilizando um conceito relativamente novo de estatística, hoje denominada Estatística Robusta. O Método dos Mínimos Quadrados ou Least Square -LS, apresentado por Gauss e Legendre, possuía limitações que eles próprios já reconheciam e tentaram resolver, sem sucesso. Desde fins do século XVIII e come¸ co do século XIX, os métodos estritamente paramétricos, em especial o Método dos Mínimos Quadrados e a média aritmética, foram questionados quando utilizados para descrever distribuições pouco comportadas ou com grandes utuações. Algumas das principais questões estavam relacionadas a como tratar pontos muito distantes da distribuição principal (os chamados outliers) e como estes influenciavam a própria distribuição. A saída convencional mais utilizada foi a rejeição dos outliers e de pontos que apresentassem grandes desvios em relação a média. Porém, a perda de informações sobre a própria distribuição tornava-se inevitável. O modelo paramétrico mostrou-se apenas uma aproximação da realidade, uma vez que as flutuações, apesar de serem consideradas, não são "bem-vindas"; são vistas apenas como um erro inerente à observação. Então, no fim do século XIX apareceram as primeiras tentativas de extrair informação das flutuações, classificando-as e as considerando parte integral da descrição da distribuição. Se um método estatístico for capaz de descrever os dados observados, incluindo e classificando as flutuações inerentes, este passa a ser conhecido como "Método Robusto" ou "Estatística Robusta", onde a nomenclatura "Robusta" está relacionada à capacidade do método ou modelo de "resistir" às flutuações fornecendo uma descrição da realidade com razoável independência destas mesmas flutuações. Com base em dois métodos robustos, Mínima Mediana Quadrada (Least Median Square - LMS) e Mínimos Quadrados "Aparados" (Least Trimmed Square - LTS), aplicamos estes nos ajustes da Função Distribuição Lateral de Chuveiros (Lateral Distribution Function - LDF) extraindo o valor de S 1000, parâmetro necessário para estimar a energia da partícula primária. Os valores para S1000 calculados a partir de estatística convencional (Mínimos Quadrados) e estatística robusta (LMS e LTS) são comparados. O valor de S1000, para chuveiros de mesma energia, depende do ângulo q dos primários, já que o CAE sofre atenuação na atmosfera, atenuação esta tanto maior quanto maior, for q . Para levar em conta a atenuação no cálculo do espectro de energia, em que todos os ângulos de chegada são considerados (até 60 graus), é introduzido o parâmetro S38, onde 38 graus é a mediana dos dados do Auger. A atenuação é calculada usando-se o método do Constant Intensity Cut (CIC) o qual depende da validade de várias hipóteses. As três hipóteses supostas pela Colaboração Auger são apresentadas neste trabalho. Correlacionamos, assim, todos os novos valores de S38 com os valores da chamada "Energia Híbrida", obtida diretamente do programa de análise da Colaboração Auger. Esta correlação nos permite recorrigir a energia com base em detecção híbrida, que é a grande vantagem do Observatório Pierre Auger. Esta correlação nos permite estabelecer a escala de energia ou calibração do detector de superfície com base na determinação calorimétrica da energia feita pelo detector de flurescência, que é o grande avançoo trazido para o campo pelo Obvservatório Pierre Auger. Com os novos resultados de energia, refizemos os cálculos de minimização para a correlação de radiação cósmica com fontes extra-galácticas obtendo correlações que não estão em correspondência biunívoca com aquelas obtidas pelo método convencional de análise. Por fim fazemos uma análise das próprias estações outliers tentando extrair alguma informação relacionada à performance do detector de superfície. Os apêndices incluídos após as conclusões foram colocados neste trabalho apenas por motivos didáticos como consulta rápida para o leitor leigo em métodos de detecção de radiação cósmica
Abstract: Since the first ultra high-energy cosmic rays detected by Pierre Auger (the 30s) the entire community of Physics of Cosmic Rays search for mathematical techniques and more appropriate statistical methods to analyze these events. These analysis processes are essential for the estimate of the energy of the primary particle as well as in the calculation of the angle of arrival q . The estimate of the energy and the angle q is the end of a long chain of analysis and the beginning of a new line of research in the search for the possible sources that produced such events. Throughout this work we re-analysed the reconstruction chain of the "Auger showers", the socalled "Extensive Air Showers - EAS", using a relatively new concept of statistics, known as Robust Statistics. The Least Square Method - LS, presented by Gauss and Legendre had limitations already recognized by themselves who tried to overcome them without success. Since the end of the eighteenth century and beginning of the nineteenth century, strictly parametric methods, especially the Least Squares and the arithmetic average, were questioned when used to describe distributions with bad behavior or with large uctuations. Some of the main issues were related to how to deal with points far way from the main distribution (the so-called outliers) and how it in uenced the main distribution. The more conventional way out used was the rejection of the outliers and points that produced large deviations from average. But the loss of information about the distribution was inevitable. The parametric model proved to be only an approximation of reality, since uctuations, despite being considered, are not "welcome"; are seen only as an error inherent in observation. Then, at the end of the nineteenth century there appeared the first attempts to extract information from uctuations sorting them out and considering them as an integral part of the description of the distribution. Whether a statistical method is able to describe observed data, including and sorting the uctuations inherent, then becomes known as "Robust Method" or "Robust Statistic", where the nomenclature "Robust" is related the ability of the method or model to "Resist" the uctuations by providing a description of reality with reasonable independence these same uctuations. Based on two robust methods: Least Median Square - LMS and Least Trimmed Square - LTS; we apply these to adjust the Lateral Distribution Function - LDF extracting the value of S1000, parameter needed to estimate the energy of the primary particle. The values for S1000 calculated from conventional statistic (Least Square) and robust statistic (LMS and LTS) are compared. The parameter S1000 is dependent on the angle of arrival of the shower, then we apply a correction factor called S38. This correlates S1000 and and, currently, there are several ways to calculate this factor. The three hypotheses most used by Auger Collaboration are presented in this work. We then correlate all new values of S38 with the values of the so-called "Hybrid Energy", obtained directly from analysis software of the Auger Collaboration. This relationship allows us to correct the energy based on hybrid detection that is great advantage of the Pierre Auger Observatory. This relationship allows us to establish the energy scale or calibration of the surface detector on the basis of the calorimetric determination of the energy done by the uorescence detector which is the great advancement brought to the field by the Pierre Auger Observatory. With the new results for the energy we reanalysed the the correlation with extra-galactic sources of cosmic ray getting new correlations, which are absent in the conventional methods of analysis. Finally we make an analysis of the surface stations outliers by themselves trying to extract some information relevant for their performance. Appendices included after the conclusions were placed in this work only for a rapid consultation by lay readers in methods of detection of cosmic rays
Doutorado
Teorias Especificas e Modelos de Interação ; Sistematica de Particulas ; Raios Cosmicos
Doutor em Ciências

Orientadores: Ernesto Kemp, Anderson Campos Fauth
Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin
Made available in DSpace on 2018-08-20T22:56:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Daniel_Bruno_M.pdf: 8374007 bytes, checksum: 352eb3cb6108ee55f40579c9db6d47a4 (MD5) Previous issue date: 2012
Resumo: O Observatório Pierre Auger foi desenvolvido com o objetivo de estudar os raios cósmicos de energia ultra-alta (maior que 10¹8 eV ), cujo fluxo é extremamente baixo. Sua configuração híbrida consiste em 1600 detectores de radiação Cherenkov, produzida pela passagem de partículas dos chuveiros atmosféricos na água, e 4 estações com telescópios de fluorescência, que detectam a emissão de luz que ocorre após a excitação das moléculas de nitrogênio da atmosfera. O observatório cobre uma área de cerca de 3000 km² . Neste trabalho será feita uma descrição detalhada dos detectores de superfície e de seu procedimento de reconstrução de eventos, no qual são determinadas a energia e direção de chegada do raio cósmico primário. Serão mostrados alguns resultados da caracterização e teste do tanque Cherenkov de Campinas e análises realizadas sobre o procedimento de reconstrução, nas quais são estudadas as consequências da exclusão de uma estação e o impacto da utilização de tanques irregulares, com fotomultiplicadoras de ganho alterado ou desligadas. Os resultados destes estudos mostram que os procedimentos de calibração e seleção de eventos atualmente utilizados no Observatório Pierre Auger são eficientes, garantindo a qualidade dos dados, mas que algumas modificações poderiam trazer um aumento na taxa de detecção, e também que a configuração mencionada em algumas propostas de expansão do observatório, com apenas uma fotomultiplicadora por tanque, pode reduzir a confiabilidade dos eventos
Abstract: The Pierre Auger Observatory was designed to study the ultra-high energy (> 10¹8 eV ) cosmic rays, whose flux is extremely low. Its hybrid configuration consists on 1600 detectors of Cherenkov radiation, produced by the passage of particles from the air showers by water, and 4 fluorescence telescope stations, to detect light emitted after the excitation of nitrogen molecules of the atmosphere. The observatory covers an area of 3000 km² . This work will give a detailed description of the surface detectors and its event reconstruction procedure, where the energy and arrival direction of the primary cosmic ray is determined. Some results of the characterization and test of the Cherenkov tank of Campinas will be showed, and also some analysis about the reconstruction, with studies of the consequences of the exclusion of a station and the impact of the use of irregular tanks, with photomultiplier\\\'s operating in low gain or turned of. This studies show that the calibration and event selection procedures used at the Pierre Auger Observatory are efficient, providing high quality for the data taken, but some modifications could bring an increase of the detection rate. It is also shown that the configuration for the tanks mentioned in some proposals of expansion of the observatory, with a single photomultiplier by tank, could reduce the con#ability of the events
Mestrado
Física
Mestre em Física

L'une des voies explorées pour expliquer la présence de rayons cosmiques à des énergies extrêmes (≥10²º eV) repose sur la désintégration de particules ultra massives reliques de l'Univers primordial ou de défauts topologiques. Ces modèles, dits top-down, prévoient qu'une fraction significative des rayons cosmiques les plus énergétiques soit constituée de photons. Les gerbes atmosphériques issues de photons UHE ont un développement particulier qui permet de les distinguer des gerbes d'origine hadronique avec le détecteur de surface de l'observatoire Pierre Auger. Les données qui y ont été accumulées depuis 2004 nous ont permis d'établir une limite supérieure très basse sur la fraction de photons présente parmi les RCUHE, apportant une nouvelle contrainte aux modèles top-down. Nous avons pour cela développé une reconstruction particulière pour les gerbes issues de photons puis, en comparant statistiquement les événements d'Auger avec un ensemble de simulations de gerbes photoniques nous avons cherché à isoler des candidats. Une signature liée à la conversion de photons UHE dans le champ géomagnétique, attendue sur les directions d'arrivée des rayons cosmiques d'énergie supérieures à 10¹⁹̇̇̇̇̄̇̇̇̇̇̇·⁵ eV, a par ailleurs été recherchée. Aucun effet n'a été mis en évidence. Enfin, les particules ultra massives des modèles top-down pourraient s'accumuler par interaction gravitationnelle en suivant le profil de la matière noire. Des directions d'arrivée privilégiées pour les événements dont le comportement s'éloigne de celui d'une gerbe hadronique ont donc également été recherchées sur le ciel de l'hémisphère sud. Aucune accumulation statistiquement significative n'a été observée
One of the trails that may lead to the understanding of the existence of the highest energy cosmic rays (≥10²º eV) relies on the decay of super heavy relies of the primordial Universe or topological defects. The remarkable common feature of these so called top-down models is the prediction that a significant fraction of the cosmic rays would be photons. The atmospheric showers triggered by high energy photons have a different development as compared to those induced by a hadronic primary. The main purpose of this dissertation is to identify photon induced showers using the surface detecter of the Pierre Auger Observatory. Using the data recorded since 2004, we have established a very low upper limit on the photon fraction by developing a specific analysis for photon induced showers and comparing the Auger events with a set of simulated photon induced showers. This limit brings a new constraint on the top-down models. We have also searched for the signature of the conversion of ultra high energy photons in the geomagnetic field, potentially observable in the arrivai directions of the events with energies above 10¹⁹̇̇̇̇̄̇̇̇̇̇̇·⁵ eV. No such effect has been observed. The ultra massive particles such as those expected from top-down models should cluster through gravitational attraction and follow the dark matter profiles. We have therefore also searched the southern sky for preferred directions with Auger events selected as exhibiting the most photon-like characteristics. No significant excess in any direction is found

L'observatoire Pierre Auger est destiné à l'étude des rayons cosmiques d'ultra haute énergie. Cette étude est réalisée par l'intermédiaire des gerbes de particules issues de l'interaction de ces rayons cosmiques avec l'atmosphère. La détection au sol de ces gerbes de particules nécessite une connaissance précise des détecteurs. Plusieurs cuves tests ont été élaborées dans ce but, en particulier celle d'Orsay. Le premier chapitre est dédié à la présentation des rayons cosmiques et de l'observatoire Pierre Auger. Le deuxième chapitre décrit les détecteurs utilisés dans le cadre du réseau de surface de l'observatoire. Le détecteur test d'Orsay est ensuite présenté et détaillé. Nous étudions les résultats obtenus par l'intermédiaire du détecteur d'Orsay dans le quatrième chapitre, puis comparons dans le cinquième chapitre ces résultats avec ceux obtenus par les détecteurs de l'observatoire. Le sixième chapitre est dédié à la validation de l'ensemble de ces résultats par la simulation (logiciel GEANT4). Enfin, les premières gerbes de particules détectées sont présentées dans le septième chapitre. L'acquisition des données a débuté cette année. La construction de l'Observatoire devrait s'achever vers la fin de l'année 2005. Dès lors, l'Observatoire Pierre Auger devrait nous permettre de résoudre le mystére des rayons cosmiques
The Pierre Auger Observatory is intended to the ultra high energy cosmic rays study. This study is realized through the particles showers coming from the interaction between the cosmic rays and the atmosphere. The ground detection of this showers needs a accurate understanding of the detectors. Several test tanks have been elaborated for this purpose, especially the Orsay one. The first chapter is dedicated to the presentation of the cosmic rays and of the Pierre Auger Observatory. The second one describes the detectors used for the Observatory surface array. The Orsay test tank is then presented and detailed. We study the results we have got with the Orsay test tank in the fourth chapter and compare in the fifth chapter this results with those of the Observatory detectors. The sixth chapter is dedicated to the validation of the results set through the simulation (GEANT4 software). Finally, the first detected particles showers are presented in the seventh chapter. The data acquisition began this year. The construction should finish end of 2005. From this moment, The Pierre Auger Observatory should allow us to solve the cosmic rays puzzle

L’origine et la composition des rayons cosmiques demeurent, presque un siècle après leur découverte, une question ouverte, certains résultats des expériences de détection des rayons cosmiques se contredisant même, aux énergies supérieures à 10¹⁸ eV. A ces énergies, le flux reçu sur Terre est si faible qu’une détection directe est impossible sur une échelle de temps raisonnable. La collaboration Pierre Auger a ainsi construit dans la Pampa argentine, un observatoire couvrant une surface de 3000 km² afin de déterminer les énergies, les masses et les directions d’arrivée des rayons cosmiques. Les techniques de détection déployées font de l’Observatoire Pierre Auger une référence dans le domaine des Ultra-Hautes Énergies. Durant les trois années de mon doctorat, il m’a été donné l’opportunité d’étudier les méthodes de détection déployées par cette expérience et de m’intéresser spécialement à son détecteur de surface dont l’extraction du signal jusqu’à la reconstruction des directions d’arrivée et des énergies des rayons cosmiques sont présentées dans ce manuscrit avec les optimisations développées, permettant l’établissement du spectre des rayons cosmiques. L’étude de ce spectre, combinée à celle des observables de composition, obtenues par le détecteur de fluorescence, permet son interprétation en terme de masse afin de contraindre les modèles d’accélération et de propagation dans le milieu Galactique ou extragalactique
The origin and the composition of the cosmic rays, almost one century after their discovery, remain an open question. Results of some experiments dedicated to their detection are even contradicting themselves at energies above 10¹⁸ eV. At these energies, the flux of the cosmic rays reaching the Earth is so low that direct detection is unthinkable in a reasonable time scale. The collaboration Pierre Auger has thus built, in the Argentine Pampa, an observatory covering an area of 3000 km² to determine the energies, masses and arrival directions of cosmic rays. Deployed detection techniques make the Pierre Auger Observatory a reference in the field of Ultra-High Energy. During the three years of my thesis, I had the chance to study the detection methods deployed by this experiment, focusing on its surface detector from the extraction of its signal to the reconstruction of the arrival direction and energy of the cosmic ray, which are presented in this manuscript along with the optimizations developed. The energy spectrum of cosmic rays is then reconstructed. The study of this spectrum, combined with the observables of composition, deduced from the fluorescence detector, allows its interpretation in term of mass. Acceleration and propagation models in Galactic or extragalactic environment can then be constrained by this combined study

Le spectre des rayons cosmiques semble se prolonger au-delà de la coupure GZK ; leur mode de production à ces énergies et leur propagation à travers l'espace ne sont pas bien compris. Malgré des flux extrêmement faibles, ces particules ultra énergétiques sont détectées sur Terre par des gerbes atmosphériques qui arrivent jusqu'au sol. Des simulations tentent de reproduire leur comportement en extrapolant les sections efficaces. L'Observatoire Pierre Auger détecte ces gerbes grâce à des télescopes de fluorescence et un réseau de cuves Cerenkov, qui couvriront finalement 3000 km2, nécessaires pour accumuler suffisamment de statistiques. Le système d'acquisition développé au LPNHE assure la communication avec le réseau et l'enregistrement des données. Un logiciel développé pendant la thèse permet la visualisation et la reconstruction des événements candidats. Les erreurs systématiques et aléatoires ont été identifiées et réduites dans tous les ajustements, afin que la détermination de la direction et de l'énergie du rayon cosmique primaire soit juste et précise. L'identification de la nature du primaire par l'âge de la gerbe améliore ces résultats.

Orientador: Carola Dobrigkeit Chinellato
Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin
Made available in DSpace on 2018-08-12T14:28:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Pascon_AlineMaria_M.pdf: 7108044 bytes, checksum: c42a3aa2a12d613b0ce9e4e8da6014dc (MD5) Previous issue date: 2008
Resumo: Foi aplicado o método de reconstrução de uma anisotropia de raios cósmicos para certo número de direções simuladas, a partir de uma distribuição consistindo de modulação dipolar sobreposta a um fluxo isotrópico. Usou-se o método proposto por J. Aublin e E. Parizot, que permite reconstruir a amplitude e orientção do dipolo no espaço 3D para um observatório que possui apenas uma visão parcial do céu, como é o caso do Observatório Pierre Auger Sul. Admitiu-se que a exposição do observatório para uma dada direção depende apenas da declinação, sendo independente da ascensão reta. A modulação dipolar foi considerada apontando na direção do centro galáctico e levou-se em conta o efeito do erro experimental na determinação da direção fazendo-a utuar segundo uma distribuição gaussiana de meia largura igual ao erro experimental do detector (1,5o). Estudou-se a capacidade de reconstrução deste dipolo, em direção e amplitude, para as condições do Observatório Pierre Auger, para vários valores de amplitude do dipolo e vários números de eventos, e foram obtidos os limites de tempo observacional necessários para detecção em cada caso, para um fluxo de eventos com energias acima de 10 18,5 eV . Por fim, calculou-se o número de eventos e o tempo necessário de observação para detectar uma anisotropia dipolar de 1%, para as condições do Observatório Pierre Auger, para atingir um valor de significância considerável, de 3, valor mínimo necessário para dar atenção à possível existência de anisotropia dipolar
Abstract: A method to study the anisotropy of a cosmic-ray distribution was applied to a number of directions simulated from an angular distribution of arrival directions consisting of a dipolar modulation of an otherwise isotropic ux. The method was suggested by J. Aublin and E. Parizot and allows reconstructing the amplitude and the dipole orientation in 3D space for a partial-sky coverage observatory like the Southern site of the Pierre Auger Observatory. The exposure of the observatory was assumed to be dependent only on the declination of the arrival directions and not on its right ascension. The dipolar modulation was taken to be pointing towards the galactic center. The experimental uncertainty in the direction measurements was also considered, represented by a smearing of all directions with a Gaussian uctuation with a half width corresponding to the experimental uncertainty (1,5 o). The capability of the Southern Pierre Auger Observatory of reconstructing the dipole modulation was studied for various dipole amplitudes and number of events. The observational time which is necessary for the detection was evaluated assuming that the observatory is fully efficient for energies above 10 18,5 eV . The number of events and corresponding observational time for detecting a 1% dipolar anisotropy with the Pierre Auger Observatory with a 3 s significance was also estimated
Mestrado
Teorias Especificas e Modelos de Interação ; Sistematica de Particulas : Raios Cosmicos
Mestre em Física

Os detectores de superfície do observatório Pierre Auger são tanques repletos de água e completamente escuros com sensores fotomultiplicadores instalados na parte interna. Quando as partículas carregadas de chuveiros atmosféricos atravessam a água com velocidade acima a da luz nesse meio, geram radiação ultravioleta devido ao efeito Cherenkov. Os sensores fotomultiplicadores desses detectores medem e convertem essa radiação em sinais elétricos que são enviados para a central de dados, registrando assim um evento. Alguns eventos apresentam comportamento incomum, caracterizado por apresentar mais de uma estrutura na série temporal, coincidentes em pelo menos dois detectores de superfície distantes. Esse trabalho se dedicou a investigar sobre as características e origens desses eventos. Devido ao grande número de dados registrados pelo Observatório Pierre Auger, foi preciso desenvolver uma ferramenta computacional para reconhecer e selecionar aqueles eventos que apresentam as estruturas desejadas de forma automática. Após, esse filtro, tentamos determinar um padrão buscando semelhanças ou tendências em variáveis dos chuveiros, como a energia e a direção de chegada. Em segunda análise olhamos para os eventos híbridos, chuveiros observados pelos detectores de superfície e pelos telescópios de fluorescência simultaneamente, de modo a analisar o desenvolvimento longitudinal do chuveiro. Na sequência, foram realizado algumas simulações de chuveiros para alguns dos eventos selecionados com o algoritmo desenvolvido. Esses eventos foram então reconstituídos, simulando uma detecção pelo observatório, com o intuito de determinar se a origem desse sinal anômalo está relacionada a uma resposta dos detectores. O último passo, foi analisar a razão entre a proporção de eventos selecionados e o número total de eventos observados em função da energia da partícula primária, o que revelou uma relação entre essas duas grandezas.
The surface detectors of Pierre Auger observatory are water filled tanks and completely dark with photomultiplier sensors installed indoors. When charged particles of air showers cross the water with velocities above that of light in this medium, ultraviolet radiation is generated due to the Cherenkov effect. The photomultiplier sensors of these detectors measure and convert this radiation into electrical signals that are sent to the data center, thus recording an event. Some events have unusual behavior, characterized by having more than one structure in its time series, coincident in at least two distant surface detectors. This work was dedicated to investigate the characteristics and origins of these events. Due to the large amount of data recorded by the Pierre Auger Observatory it was necessary to develop a computational tool to automatically recognize and select those events that present the desired structure type. After applying this filter, we tried to determine a pattern by looking for similarities or trends in air-shower variables, such as energy and direction of arrival. In a second analysis, we looked at the hybrid events, air showers observed by the surface detectors and the fluorescence telescopes simultaneously, in order to analyze the longitudinal development of air shower. In the sequence, we performed some simulations of air showers for some events selected with the developed algorithm. These events were then reconstituted, simulating a detection by the observatory for the purpose of determinin if the origin of this anomalous signal is related to a response of the detectors. The last step was to analyze the ratio between the proportion of selected events and the total number of events observed as a function of the energy of the primary particle, which revealed a relation between these two quantities.

Orientador: Carola Dobrigkeit Chinellato
Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin
Made available in DSpace on 2018-08-19T15:55:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Selmi-Dei_DanielPakk_D.pdf: 9650136 bytes, checksum: a6af22f88f369a8903480bc20071c354 (MD5) Previous issue date: 2012
Resumo: Esta tese apresenta um estudo das deflexões nas trajetórias de raios cósmicos com energia ultra-alta (> 1018 eV) devido à sua propagação pelo campo magnético da Via Láctea. Partindo de dados coletados no Observatório Pierre Auger, localizado na Argentina, a técnica do backtracking foi aplicada sob diversas hipóteses relativas à carga elétrica do núcleo primário. Uma situação histórica é feita desde a época da descoberta da radiação cósmica até as últimas técnicas de detecção desenvolvidas por Pierre Auger, descobridor dos chuveiros atmosféricos extensos. A natureza das cascatas é descrita para o entendimento de como direções de chegada e energias são inferidas através dos experimentos de hoje. Alguns detalhes do espectro do uxo de raios cósmicos nas energias mais altas são expostos. As metodologias relativas aos telescópios de uorescência e ao arranjo de superfície, empregados no Observatório Auger, são introduzidas. É estabelecida uma relação entre ambas as técnicas de detecção e alguns resultados importantes, obtidos nos últimos anos pela Colaboração Auger, são apresentados. É feita uma descrição da dinâmica de campos magnéticos em plasmas astrofísicos e de dados observacionais da rotação de Faraday para embasar a escolha dos modelos de campo magnético galácticos. A magnetohidrodinâmica também é usada para explicar por que é interessante considerar certos objetos aceleradores candidatos a fontes de raios cósmicos. A distribuição de matéria na Via Láctea é então caracterizada em relação aos dados de evolução estelar e passa a ser assumida a hipótese de que a nucleossíntese elementar ocorre de modo semelhante em outras galáxias. Em seguida, são definidos os modelos utilizados para a descrição dos campos magnéticos nas regiões do bojo, disco e halo da galáxia. A superposição de um modelo da componente irregular também é considerada. A técnica do backtracking de antipartículas (e, equivalentemente, o forwardtracking de partículas) é descrita segundo um novo método numérico de passos adaptativos introduzido neste trabalho. Algumas ferramentas de análise são propostas a partir dos dados de reconstrução das trajetórias. Em última análise, é demonstrado que esse método desenvolvido concorda com o método numérico de Runge e Kutta de quarta ordem. Os resultados apresentados nesta tese levam à conclusão de que se os modelos presentes descrevem aproximadamente o campo magnético de larga escala da Via Láctea, então raios cósmicos com energia ultra-alta são signicantemente de etidos durante a propagação. Para um evento real detectado no Observatório Auger, a escolha da composição química compatível com núcleos produzidos nas reações de nucleossíntese estelar permitiu indicar regiões da Via Láctea que podem abrigar objetos astrofísicos candidatos a fonte. Assumindo que um magnetar galáctico ativo conhecido radie partículas com E > 1019 eV, foi possível prever excessos do uxo bem localizados em certas direções do céu. Já a depleção desse uxo na direção do Aglomerado de Virgem pode ser explicada através da imposição de limites na composição química da radiação cósmica com incidência normal ao plano galáctico. Por último, sob a hipótese de que AGNs sejam as fontes dos núcleos atômicos ultra-energéticos observados, uma relação entre composição química e energia da partícula primária é derivada
Abstract: This thesis presents a study of the deflections of ultra-high energy (> 1018 eV) cosmic rays caused by its propagation through the large scale magnetic field of the Milky Way. From data collected by the Pierre Auger Observatory, in Argentina, the backtracking technique was applied under several hypotheses relative to the electric charge of the primary nucleus. A historical review is given since the discovery of the cosmic radiation until the last detection techniques developed by Pierre Auger, who was the discoverer of extensive air showers. The nature of the cascades is described for an understanding about how the arrival directions and energies are inferred from experiments performed today. Some details regarding the spectrum of the cosmic ray flux at the highest energies are exposed. The methodologies relative to the fluorescence telescopes and the surface array, employed at the Auger Observatory, are introduced. A relation is established between both techniques of detection and some important results obtained in the last years by the Auger Collaboration are presented. A description of the magnetic field dynamics in astrophysical plasmas and the observational data of Faraday rotation serve as a basis for the choice of galactic magnetic field models. Magnetohydrodynamics is also used to explain why it is interesting to consider certain objects as candidates for the source and acceleration of cosmic rays. The Milky Way is then characterized in respect to stellar evolution data and the hypotheses that the nucleosynthesis of the elements occurs in a similar way in other galaxies is assumed. Finally, models to describe the magnetic fields in the bulge, disk and halo regions are defined. The superposition of a model for the irregular component is also considered. The backtracking technique of antiparticles (and equivalently, the forwardtracking of particles) is described according to a new numerical adaptive stepsize method introduced in this work. Some analysis tools are proposed based on data from the reconstructed trajectories. Lastly, it is shown that the method developed here agrees with the fourth-order Runge-Kutta numerical method. The results presented is this thesis lead to the conclusion that if the present models describe approximately the large scale magnetic field of the Milky Way, then ultra-high energy cosmic rays are significantly de ected during propagation. For a real event detected at the Auger Observatory, the choice for a chemical composition compatible with the nuclei produced in stellar nucleosynthesis reactions allowed to pinpoint regions inside the MilkyWay that can house astrophysical objects as candidate sources. Assuming that a known active galactic magnetar radiates particles with E >1019 eV, it was possible to predict well localized ux excesses in certain directions of the sky. The depletion of that flux in the direction of the Virgo Cluster can be explained by the imposition of limits on the chemical composition of cosmic radiation with incidence normal to the galactic plane. In the last place, under the hypothesis that AGN are sources of the observed ultra-high energy atomic nuclei, a relation between chemical composition and particle energy is derived
Doutorado
Física
Doutor em Ciências

O objetivo desta dissertação é a busca de anisotropias em grandes escalas angulares no fluxo de raios cósmicos acima de 4 × 10^{18} eV e o confronto dos resultados obtidos com as previsões dos principais modelos astrofísicos na região de ultra altas energias. Com esse propósito foram analisados os dados de chuveiros atmosféricos extensos registrados pelo Observatório Pierre Auger no período de 01 de janeiro de 2004 até 31 de agosto de 2016, compreendendo um total de 108 480 eventos detetados com ângulos zenitais entre 0 e 80 graus acima de 4 × 10^{18} eV. Efeitos sistemáticos locais como a influência da variação das condições atmosféricas e a influência do campo geomagnético nos estimadores de energia das cascatas atmosféricas foram corrigidos cuidadosamente para evitar a introdução de sinais espúrios de anisotropias na análise. Especial ênfase foi dedicada à construção de um mapa bidimensional na esfera celeste com os valores da exposição para cada direção no céu, calculado com uma precisão de 1% a partir da informação da área de coleção efetiva no Observatório Pierre Auger a cada minuto. Da mesma forma, a distribuição das direções de chegada dos eventos foi registrada em mapas bidimensionais na esfera celeste que, após corrigidos pela exposição, são transformados nos mapas de fluxo usados na análise quantitativa para a busca de anisotropias. Neste trabalho procurou-se padrões dipolares de anisotropias, os quais foram quantificados usando o método de expansão multipolar em harmônicos esféricos. Diferentemente do método bidimensional de Rayleigh usado na maioria dos estudos deste tipo, o método aqui utilizado fornece de maneira direta as três componentes cartesianas do dipolo, por meio das quais a reconstrução da amplitude e orientação espacial do dipolo é feita de maneira mais natural. A busca de anisotropias foi realizada em dois intervalos de energia independentes, assim foram analisados por separado os eventos com energias entre 4 × 10^{18} e 8 × 10^{18} eV e de energias maiores que 8 × 10^{18} eV. No primeiro intervalo não foi encontrado nenhum sinal de anisotropia estatisticamente significativo. No segundo intervalo foi encontrada uma anisotropia dipolar de amplitude d = (7.9 ± 1.1)% com coordenadas equatoriais (_d , _d ) = (103 ± 10 , 38 ± 7 ) graus e uma probabilidade de ocorrência ao acaso de 6.90 × 10^{8} , correspondendo a uma significância estatística acima do limiar de descoberta de 5 . Tal amplitude e direção são melhor explicadas assumindo-se uma origem extragaláctica para os raios cósmicos com energias acima de 8 × 10^{18} eV.
The aim of this dissertation is the search for large scale anisotropies in the cosmic ray flux above 4 × 10^{18} eV and the comparison of the results with the predictions of the main astrophysical models in the ultra high energy region. With this purpose we analyzed the data of extensive air showers detected by the Pierre Auger Observatory in the period of 1st January 2004 to 31st August 2016 comprising a total of 108 480 events with zenith angles between 0 and 80 degrees above the threshold of 4 × 10^{18} eV. Local systematic effects such as the influence of the variation of the atmospheric conditions and the effect of the geomagnetic field in the energy estimators were properly corrected to avoid the introduction of spurious anisotropy signals in the analysis. Special emphasis was placed on the construction of a two-dimensional map on the celestial sphere with the exposure values for each direction on the sky, calculated with an accuracy of 1% from the information of the effective collection area of the observatory at every minute. Likewise, the arrival directions distribution of the events was recorded in two-dimensional maps on the celestial sphere that after correcting by the exposure were transformed into the flux maps to be used in the quantitative analysis for the anisotropies search. In this work we search for dipolar-like anisotropy patterns, which were quantified by performing a spherical harmonics decomposition of the cosmic ray flux map. Unlike the traditional two-dimensional Rayleigh method used in the majority of the studies of this kind, the method used here directly provides the three cartesian components of the dipole, allowing the reconstruction of its amplitude and orientation in a more natural way. The anisotropy search was made in two independent energy bins, so the distributions of the events with energies between 4 × 10^{18} and 8 × 10^{18} eV and those with energies greater than 8 × 10^{18} eV were analyzed separately. In the first energy bin no statistically significant departure from isotropy was found. In the second energy bin a dipole anisotropy of amplitude d = (7.9 ± 1.1)% with equatorial coordinates (_d , _d ) = (103 ± 10 , 38 ± 7 ) degrees and a chance probability of 6.90 × 10^{8} was found, corresponding to a statistical significance above the discovery threshold of 5 . Such amplitude and direction for the reconstructed dipole is better explained if an extragalactic origin is assumed for the bulk of cosmic rays above 8 × 10^{18} eV.

Bien que la découverte des rayons cosmiques date d'un siècle, ce n'est que récemment qu'on est parvenu à identifier leurs sources galactiques comme étant des restes de jeunes Supernovae (SNR). La difficulté était la déviation de leurs trajectoires dans le champ magnétique du disque de la Voie Lactée, empêchant d'associer leurs sources à des objets célestes connus. C'est l'astronomie en rayons gamma qui a permis de sauter cet obstacle en associant les sources de rayons gamma d'énergies supérieures au TeV à des enveloppes de jeunes SNRs. Ces découvertes récentes n'ont toutefois pas été capables d'expliquer l'origine de la composante extra galactique des rayons cosmiques, dite d'ultra haute énergie (UHECR), ni d'identifier leurs sources et le mécanisme d'accélération. Ce n'est que tout récemment, avec la construction de l'Observatoire Pierre Auger (PAO), que la physique des UHECR est apparue sous un jour nouveau. Le PAO, avec lequel notre laboratoire est associé, et dans le cadre duquel cette thèse a été réalisée, est un immense réseau de 1600 compteurs Cherenkov (SD, pour détecteur de surface) couvrant une superficie de 3000 km2 dans la pampa argentine. Il abrite également des détecteurs de fluorescence (FD) qui permettent une détection hybride des grandes gerbes pendant les nuits claires et sans lune. Le PAO a déjà accumulé, pour la première fois au monde, une centaine d'UHECRs d'énergies supérieures à 50 EeV dont l'étude des propriétés est ainsi devenue possible. De fait, deux résultats majeurs ont déjà été obtenus, qui marquent un jalon important dans l'étude de la physique des UHECRs: l'observation d'une coupure dans la distribution en énergie, aux alentours de 100 EeV, associée pour l'essentiel au seuil de photoproduction de pions dans les interactions des UHECRs avec les photons du fond cosmique fossile; et la mise en évidence d'une corrélation entre les directions vers lesquelles pointent les UHECRs et les concentrations de matière extragalactique de l'univers proche, en particulier la région de Cen A. A plus basse énergie, jusqu'à une cinquantaine d'EeV, le PAO a mis en évidence une augmentation des masses primaires vers le fer quand l'énergie augmente. Cette observation se base sur des mesures de l'altitude à laquelle la gerbe atteint son développement maximal, censée être plus élevée pour les noyaux de fer que pour les protons. Toutefois, les estimations de la masse primaire basées sur la densité de muons au sol se heurtent à des incohérences entre observations et prédictions des modèles conventionnels de développement des gerbes qui empêchent de conclure. On n'est pas encore parvenu à assembler les pièces de ce puzzle de façon claire et définitive. Une possibilité serait que les UHECR qui pointent vers des galaxies proches, comme CenA, soient des protons et que les autres soient des noyaux de fer. Mais cela reste encore à prouver. Le travail présenté dans la thèse est une contribution modeste à ce programme de recherche. Il met l'accent sur des méthodes d'identification des masses primaires basées sur la mesure de la densité des muons au sol, en particulier sur la méthode des sauts (jump method) qui a été conçue et développée au LAL d'Orsay où une partie importante de la thèse a trouvé son inspiration. La méthode des sauts identifie la présence de sauts soudains dans les traces des FADC, formant un saut total J, avec celle de muons. La lumière Cherenkov produite par les particules de la gerbe qui traversent les détecteurs du SD est captée par des tubes photomultiplicateurs dont les signaux sont enregistrés en fonction du temps dans des convertisseurs analogue/digital rapides (FADC, 40 MHz). La relation entre le saut total, J, et les propriétés des traces des FADCs montre, en particulier, que pour avoir une chance d'apprendre quelque chose de sensé sur le nombre N de muons qui contribuent à la trace du FADC, il est nécessaire de restreindre l'observation à des détecteurs qui ne soient pas trop proches de l'axe de la gerbe. Une étude séparée des traces induites par des muons et par des électrons ou photons montre que J est approximativement proportionnel à N et à Q (la charge totale), ce qui n'est pas surprenant. En combinant des traces de muons et d'électrons/photons on trouve que J peut être décrit par une expression de la forme J={(43.9±0.5)10−3Q+(200±2)N }10-3. Nous étudions ensuite la séparation entre primaires légers (protons) et lourds (fer) à laquelle on peut s'attendre de la mesure des valeurs de J dans les compteurs touchés par la gerbe. Nous remarquons que même si nous connaissions N exactement (ce qui bien sûr n'est pas le cas) la séparation entre fer et proton ne dépasserait pas les 30%, ce qui donne une mesure de la corrélation entre la nature des primaires et la densité des muons au sol. Ceci implique que l'identification des primaires à un niveau de confiance correspondant à trois déviations standard requiert un minimum de cinquante détecteurs dans lesquels on puisse mesurer la valeur prise par J. Une autre remarque est que si l'on connaissait l'énergie des primaires, ce qui n'est pas le cas, non seulement J mais aussi Q et NJ (le nombre de saut dans chaque trace) seraient de bons discriminants entre fer et protons. Ceci dit, l'énergie des primaires étant inconnue, l'inversion de la relation J=AQ+BN en N=J+Q - dans le but de déduire N de Q et J - n'est pas aussi simple qu'il y paraît. Le problème est que la corrélation qui lie Q à J est si forte qu'il n'y a essentiellement rien à gagner de l'utilisation de la forme binomiale ci- dessus. Un corollaire important de cette forte corrélation est la difficulté qu'il y a à faire la différence entre deux gerbes induites par des protons d'énergies différentes et deux gerbes d'énergies égales, l'une induite par un proton et l'autre par un noyau de fer. Afin de surmonter cette difficulté, il est nécessaire d'utiliser des discriminants indépendants de l'énergie. Deux outils sont utilisés dans ce but : l'utilisation du rapport J/Q comme discriminant et la restriction de l'analyse aux compteurs situés dans une fourchette de distances à l'axe de la gerbe dépendant de S(1000) (la densité au sol de la gerbe à 1 km de son axe, utilisée comme mesure de l'énergie de la gerbe). Des gerbes simulées sont utilisées pour démontrer qu'en principe chacun de ces deux outils est efficace. Une analyse indépendante de l'énergie est ensuite appliquée à l'étude des gerbes détectées par le PAO, confirmant leur désaccord avec les prédictions des modèles de développement des gerbes et établissant un nouveau et important résultat: ce désaccord ne peut pas être résolu par un simple ajustement de la relation entre S(1000) et l'énergie. Enfin, la méthode des sauts est appliquée aux UHECRs pointant à 18o près vers Cen A. Contrairement à une autre analyse utilisant des données hybrides pour étudier le taux d'élongation, cette analyse préfère une origine protonique pour les gerbes associées à Cen A par rapport à celles pointant ailleurs dans le ciel. Tout ceci illustre la difficulté qu'il y a à identifier la nature des primaires à partir des données du SD. Le désaccord entre données et prédictions constitue un problème majeur qu'il faut à tout prix résoudre. On ne saurait se satisfaire d'une explication rejetant sur les modèles hadroniques la responsabilité du désaccord si les mécanismes physiques incriminés ne sont pas clairement identifiés. Les programmes de simulation utilisés de façon courante sont d'une complexité telle qu'il est difficile de les utiliser dans ce but. Le souci de reproduire au plus près la réalité physique les a rendus opaques. La seconde partie de la thèse se propose de faire un pas dans la direction de l'élaboration d'un code de simulation simplifié mais transparent dans l'espoir qu'il permette d'éclairer le problème. La simulation de la composante électromagnétique des grandes gerbes est relativement simple: il suffit, à une excellente approximation, de ne retenir que le rayonnement de freinage et la création de paires comme seuls mécanismes élémentaires et d'ignorer toute particule autre que photon, électron ou positon. Il est aussi facile de décrire les pertes d'énergie par ionisation, ce qui permet un traîtement particulièrement simple du développement de la gerbe qui est présenté et commenté en détail. On obtient ainsi des paramétrisations du profil longitudinal de la gerbe utilisant la forme de Gaisser-Hillas et les valeurs moyennes des paramètres sont évaluées en fonction de l'énergie en même temps que leurs fluctuations. Trois types de primaires sont pris en considération: électrons, photons et pions neutres. Le modèle, par itérations successives, permet d'atteindre simplement aux énergies les plus élevées. Son application à l'effet Landau-Pomeranchuk-Migdal et à l'effet Perkins permettent d'illustrer son efficacité et de montrer que ces deux effets sont, en pratique, d'incidence négligeable sur la physique des UHECRs. Le développement de la composante hadronique de la gerbe est beaucoup plus difficile à traîter. Il implique la production de muons, essentiellement des pions, dont la composante neutre est purement électromagnétique et par conséquent facile à décrire. Au contraire, le destin des pions chargés dépend de deux processus en compétition: interactions hadroniques avec les noyaux de l'atmosphère et désintégrations faibles en une paire muon-neutrino. Les échelles qui gouvernent ces deux processus sont différentes: la section efficace d'interaction ne dépend que peu de l'énergie mais le taux d'interaction dépend de la pression atmosphérique, c'est-à- dire de l'altitude; au contraire, le taux de désintégration est indépendant de l'altitude mais inversement proportionnel à l'énergie à cause de la dilatation de Lorentz. La méthode itérative utilisée avec tant d'efficacité pour la composante électromagnétique, pour laquelle la longueur de radiation est la seule échelle pertinente, n'est plus praticable. Le problème essentiel de l'extrapolation des données d'accélérateurs aux grandes gerbes d'UHECRs n'est pas tant l'énergie que la rapidité. De fait, 20 EeV dans le laboratoire correspondent à 200 TeV dans le centre de masse, seulement deux ordres de grandeur au dessus des énergies du Tevatron et un seul au dessus des énergies du LHC. La lente évolution de la physique hadronique en raison directe du logarithme de l'énergie rend peu probable qu'une extrapolation des données des collisionneurs vers les énergies des UHECRs soit grossièrement erronée. Par contre, en termes de rapidité, les gerbes UHECR sont dominées par la production vers l'avant, une région inaccessible aux collisionneurs. En particulier, il n'existe aucune mesure précise des inélasticités et de la forme du front avant du plateau de rapidité, toutes deux essentielles au développement des gerbes UHECR. Le modèle développé dans la thèse fait de l'inélasticité un paramètre ajustable et la forme du plateau de rapidité est accessible de façon transparente. Une attention particulière est consacrée aux caractéristiques de la gerbe qui permettent l'identification de la nature des primaires, noyaux de fer ou protons. Ceci concerne essentiellement la première interaction: une fois que le noyau primaire a interagi, le développement de la gerbe ne met plus en jeu que des interactions nucléon-air ou méson-air. Là encore, il n'existe pas de données de collisionneurs permettant de décrire les interactions de noyaux et de pions avec l'atmosphère dans le domaine d'énergie qui nous intéresse. Le modèle utilisé ici permet un accès facile et transparent aux paramètres pertinents. La présentation qui est donnée du modèle limite ses ambitions à en décrire les traits essentiels, laissant pour une phase ultérieure l'étude de la densité des muons au sol. L'accent est mis sur le développement de ce nouvel outil et sur son adéquation aux problèmes qu'il entend aborder mais son utilisation dépasse le cadre de la thèse et fera l'objet d'études ultérieures.

L'Observatoire Pierre Auger est la plus importante expérience jamais conçue dans le domaine de la détection des rayons cosmiques d'ultra haute énergie. Sa superficie de 3000 km² par site doit apporter la statistique au delà de 10^19eV afin d'en comprendre leur origine. Son mode de détection hybride des gerbes atmosphériques doit permettre une grande précision sur la reconstruction de l'énergie primaire et sur la direction d'arrivée.
Après avoir exposé l'historique des rayons cosmiques, et la problématique liée aux énergies ultines, nous décrirons les détecteurs de l'Observatoire Pierre Auger, ainsi que les motivations et les contraintes à l'installation sur le site.
Dans une troisième partie, nous abordons la simulation des phénomènes de gerbe atmosphérique. Nous débuterons par la description de l'interaction primaire à très haute énergie, où les modèles d'interaction hadronique doivent ^etre extrapolés, puis nous poursuivrons par la cascade électromagnétique et la composante pénétrante que les détecteurs de fluorescence et de surface détectent.
L'étude par la simulation de la distribution latérale (décroissance du signal en fonction de la distance au coeur de la gerbe) nous a conduit à proposer une nouvelle fonction de distribution latérale qui permet de s'ajuster aux gerbes individuelles et à terme, avoir une meilleure estimation de l'énergie primaire gerbe à gerbe. Cette nouvelle fonction a été appliquée aux données du réseau prototype.
Nous terminerons par une présentation des données du réseau prototype installé dans la Pampa par la reconstruction de ses événements.

L'observation de rayons cosmiques d'energies superieures a 10 1 9 ev ne possede pas d'explication satisfaisante actuellement. L'observatoire pierre auger (pao) a pour objectif l'augmentation significative de la statistique, tres faible, de ces rayons cosmiques, grace a des detecteurs de gerbes atmospheriques situes dans chaque hemisphere, l'un en argentine et l'autre en utah, la surface utile de chacun approchant 3000 km 2. Ils detecteront d'une part la fluorescence, d'autre part les particules des gerbes, mesurant ainsi les profils longitudinaux et lateraux, qui permettront l'estimation amelioree des observables astrophysiques que sont l'energie, la direction et la nature des particules primaires. La reussite d'une experience requiert a la fois la comprehension des signaux collectes et une instrumentation adaptee ; cette these expose donc les resultats de simulations de gerbes atmospheriques de haute energie et leur application a la discrimination entre les natures de particules primaires, ainsi que les elements du logiciel d'acquisition des stations locales composant les detecteurs de surface du pao.

Orientador: Carola Dobrigkeit Chinellato
Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin
Made available in DSpace on 2018-08-22T13:08:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Castilho_CamileMendes_M.pdf: 4872331 bytes, checksum: 59af4c2607b071fd467957e83946bcf8 (MD5) Previous issue date: 2013
Resumo: Duas questões importantes no estudo da física de raios cósmicos são quais são as fontes astrofísicas dessas partículas e como é o campo magnético por elas atravessado. O Observatório Pierre Auger, localizado na província de Mendoza, na Argentina, é um experimento que tem como objetivo estudar raios cósmicos de altas energias (superior a 1 EeV). Entre os objetivos do observatório, está buscar possíveis fontes desses raios cósmicos e estudar o campo magnético por eles atravessado. Considerando que partículas ultra-energéticas sofrem deflexões em campos magnéticos que são inversamente proporcionais _as suas energias, espera-se que aquelas provenientes de uma mesma fonte cheguem á Terra com suas direções alinhadas sobre a esfera celeste e com desvios angulares satisfazendo essa dependência com a energia. Um grupo de raios cósmicos com suas direções e energias satisfazendo essas características é chamado de multipleto. Nesta dissertação, foram analisados 2196 raios cósmicos com energias acima de 20 EeV, detectados pelo Observatório Pierre Auger entre 1o de janeiro de 2004 e 22 de novembro de 2012, a _m de realizar uma busca por multipletos. Para encontrar estes multipletos, foi utilizado o Método da _Arvore de Extensão Mínima. Este método é utilizado para separar o conjunto de raios cósmicos em subconjuntos. Uma vez encontrados esses subconjuntos, foi verificado se as direções dos raios cósmicos do subconjunto satisfazem a correlação esperada entre as suas direções e os inversos de suas energias. Para isso foi calculado o coeficiente de correlação e a dispersão angular nas coordenadas dos raios cósmicos de cada subconjunto em um plano tangente _a esfera celeste no ponto correspondente _a direção média. Se o coeficiente de correlação for superior a um valor mínimo e a dispersão angular for menor do que um valor máximo pré-estabelecidos, o multipleto em questão é considerado um multipleto correlacionado. Após identificarmos estes multipletos, foi possível encontrar as posições das possíveis fontes dos raios cósmicos que o compõem e obter informação sobre o poder de deflexão do campo magnético por eles atravessado nas direções das respectivas fontes. Para o período em questão foram encontrados três multipletos correlacionados com um número de eventos igual ou superior a doze. Para estes três multipletos foram procuradas posições de possíveis fontes. Realizando uma comparação entre as posições encontradas e um catalogo de objetos astrofísicos, foram encontrados objetos próximos ás direções das fontes encontradas
Abstract: Two important questions in the study of ultra-high-energy cosmic rays are related to the astrophysical sources of these particles and the characteristics of the magnetic field they have traversed in their way from the sources to Earth. The Pierre Auger Observatory was designed and built in Argentina in order to address these and other questions about ultra-high energy cosmic rays. Its design goals included being able to measure ultra-high energy cosmic rays (above 1 EeV) with unprecedented statistics. Considering that the trajectories of ultra-high energy particles are defected by the magnetic fields traversed and that the defection is inversely proportional to their energies, it can be expected that particles having different energies and coming from a single source will arrive at Earth with their directions aligned on the celestial sphere and with angular deviations satisfying that dependence with the energy. A group of cosmic rays with their directions and energies satisfying those characteristics is called a multiplet. In this work, we search for multiplets in a data sample of 2196 cosmic rays with energies above 20 EeV recorded by the Pierre Auger Observatory between 1st January 2004 and 22nd November 2012. We applied the method of the minimum spanning tree to separate the whole data set into subsets and then analyzed the subsets, checking whether the directions of the cosmic rays in each subset satisfy the expected correlation with the inverse of their energies. After identifying multiplets which satisfy the correlation, it is possible to find theposition of the sources of the cosmic rays and estimate the defection power of the magnetic field these particles must have traversed in the corresponding directions of the sources. In the period covered by our analysis we have found three multiplets with twelve or more events. For each multiplet we have found the direction of the possible source and the defection power of the magnetic field and looked for nearby astrophysical objects in a catalog
Mestrado
Física
Mestra em Física

Ce travail porte sur des observations réalisées à l’aide du détecteur de surface (SD) de l’Observatoire Pierre Auger qui étudie les rayons cosmiques d’énergies supérieures à 10 EeV. Il détecte les grandes gerbes produites dans leur interaction avec l’atmosphère au moyen d’un réseau de 1600 compteurs Cherenkov (CC) qui couvre 3000 km2. Les données ont la forme d’un enregistrement digital des temps d’arrivée et des amplitudes des signaux enregistrés par les trois photomultiplicateurs (PMT) de chaque CC. La thèse comporte des études de leurs propriétés, d’une asymétrie observée entre les trois PMT d’un même CC et de la désintégration de muons stoppant dans les CC. En ce qui concerne la première, les incertitudes qui affectent la mesure ont été évaluées et les différences observées entre les trois PMT d’un même CC ont été identifiées et attribuées à deux causes bien maîtrisées : impulsions retardées et asymétrie de première lumière. Un algorithme de recherche de pics, basé sur la déconvolution de la décroissance exponentielle de la lumière détectée, a été affiné, sa performance évaluée et ses limites identifiées, ouvrant ainsi la voie à son utilisation systématique dans des études ultérieures. Une corrélation entre l’azimuth de la gerbe et l’asymétrie entre les trois PMT d’un même CC, observée avant que la lumière n’ait le temps d’être suffisamment diffusée par les parois, a été mise en évidence et exploitée pour mesurer la divergence de la gerbe et illustrer la puissance de la méthode et sa sensibilité. Enfin, on a mis en évidence l’existence de muons stoppant à l’intérieur du volume des CC, identifiés par le signal produit par l’électron de désintégration. La difficulté de cette étude réside dans la petitesse des signaux recherchés et permet de mettre à l’épreuve la connaissance qu’on a du détecteur et des outils utilisés pour son analyse. Un bruit de fond de très faible amplitude a été décelé, suggérant la présence vraisemblable de neutrons, une possibilité qui reste à explorer.

Orientador: Marcelo Moraes Guzzo
Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin
Made available in DSpace on 2018-08-07T11:07:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MouraJunior_CelioAdregade_D.pdf: 3776986 bytes, checksum: 07c139c8c30b32426082bda432e718e0 (MD5) Previous issue date: 2006
Resumo: Fazemos uma estimativa do número de Chuveiros Atmosféricos Extensos originados por neutrinos do tau em Detetores de Fluorescência como os do Observatório Pierre Auger. Consideramos modelos de produção de neutrinos do elétron e do múon de altíssimas energias em objetos extra galácticos e Defeitos Topológicos, assim como mudança de sabor na propagação dos neutrinos da fonte até a Terra. Para a seção de choque dos neutrinos utilizamos um modelo que extrapola os parâmetros do Modelo Padrão até energias da ordem de 1021 e V. Porém esses parâmetros foram comprovados até a ordem de 1012 e V. gerando incertezas nos números obtidos para altíssimas energias. Concluímos que, dependendo da relação entre fluxo e seção de choque, existe uma região restrita de energia dos neutrinos do tau que pode gerar eventos com chuveiros atmosféricos duplos detectáveis em Detetores de Fluorescência. A energia dos neutrinos do tau deve ser de aproximadamente 1018 e V e o número de eventos pode variar algumas ordens de magnitude em torno de um evento por ano, dependendo dos modelos propostos e das caracteristicas do detetor
Abstract: We calculate the possible number of Extensive Air Showers originated by tau neutrinos in Fluorescence Detectors like the ones of the Pierre Auger Observatory. We consider models of production of electron and muon neutrinos in extra galactic objects and Topological Defects, as well as the possibility of neutrino flavor change in the propagation of the neutrinos between the source and the Earth. The neutrino cross section was calculated by the extrapolation of the standard model parton distribution functions until energies of the order of 1021 e V. However, due to uncertainties in the extrapolation for energies higher than 1012 e V the results are not robust. We conclude that, depending on the relation between flux and cross section, there is a strict range of energy for the tau neutrinos to generate double extensive air showers detectable in Fluorescence Detectors. The tau neutrino energy must be approximately 1018 e V and the event rate can vary some orders of magnitude around one event per year , depending on the flux-cross section relation and detector characteristics
Doutorado
Física das Particulas Elementares e Campos
Doutor em Ciências