El marco de simulación de lluvia de aire CORSIKA 8: desarrollo y primeras aplicaciones para la producción de muones

Abstract

Herramientas para simular con precisión lluvias atmosféricas extendidas son clave para la comprensión de los rayos cósmicos de ultra alta energía. En esta tesis se presenta el marco de simulación Monte Carlo de lluvias atmosféricas extendidas CORSIKA 8. CORSIKA 8 constituye un código de nueva generación que tiene como objetivo combinar nuevas funcionalidades con un alto nivel de flexibilidad y mdularidad. Aspectos destacables son la capacidad de combinar libremente un número arbitrario de procesos físicos y de configurar entornos de simulación que combinan diferentes medios. Inclusive son posibles modelos atmosféricos personalizados. Una característica especial es la posibilidad de inspeccionar el linaje completo de partículas, lo cual permite conectar partículas que alcanzan el nivel del suelo con cualquiera de sus generaciones anteriores. Luego de describir los fundamentos de las simulaciones Monte Carlo de lluvias atmosféricas extendidas se explica en detalle la arquitectura de CORSIKA 8. Con foco en los componentes hadrónico y muónico de las lluvias, se comparan los resultados obtenidos con CORSIKA 8 con los de otros códigos de simulación. Incluso cuando se utilizan los mismos modelos de interacción hadrónica, se observa una serie de diferencias, en particular con respecto a las interacciones de baja energía. Estas tienen un impacto considerable en la distribución lateral de muones a distancias del órden del kilómetro de hasta un factor de dos o más. Haciendo uso de la técnica del linaje, se estudia el espacio de fase de las interacciones hadrónicas con el fin de cuantificar la importancia para la producción de muones y comparar los resultados con el modelo de juguete de Heitler-Matthews. A altas energías (√s ≳ 500 GeV) la producción de partículas en la dirección hacia delante es especialmente importante, mientras que la región central se vuelve relevante a bajas energías (√s ≲ 50 GeV), en particular para muones a altas distancias. Además se estudia el impacto que tienen interacciones hadrónicas modificadas en las observables de las lluvias atmosféricas extendidas. Modificaciones en la sección eficaz de hadrón-aire afectan principalmente al desarrollo longitudinal, generando un mayor corrimiento de la profundidad de máxima producción de muones que del punto de máximo desarrollo de la lluvia. Un aumento artificial de la producción de ρ0, por otro lado, puede aumentar en gran medida el número de muones con un impacto pequeño en otras observables. Finalmente, también se considera la posibilidad de una multiplicidad alta de bosones en la primera interacción y se estudia su fenomenología en lluvias atmosféricas extendidas haciendo uso de un modelo de juguete sencillo. Dentro del alcance de esta tesis, se desarrollaron los fundamentos del marco CORSIKA 8. Basado en los estudios que han sido posibles con CORSIKA 8, se señalan algunas oportunidades nuevas para mejorar la comprensión de los muones en lluvias atmosféricas extendidas.Tools to accurately simulate extensive air showers are a key asset for the understanding of ultra-high energy cosmic rays. In this thesis, the Monte Carlo air shower simulation framework CORSIKA 8 is presented. CORSIKA 8 constitutes a next-generation code that aims to combine new functionality with a high level of flexibility and modularity. Notable aspects include the ability to freely combine an arbitrary number of physical processes and to setup simulation environments consisting of several media, including custom atmospheric models. A special feature is the possibility to inspect the complete lineage of particles, which allows linking particles on ground with any of their preceding generations. After describing the foundations of Monte Carlo shower simulations, I explain the archi- tecture of CORSIKA 8 in depth. Focusing on the hadronic and muonic shower components, results obtained with CORSIKA 8 and other simulation codes are compared with each other. Even when using the same hadronic interaction models, a number of differences are observed, in particular regarding low-energy interactions, which have a considerable impact on the lateral distribution of muons at kilometre-scale distances up to a factor of two and more. Making use of the lineage technique, I study the phase space of hadronic interactions in order to quantify the importance for muon production and compare the results with the Heitler-Matthews toy model. At high energies (√s ≳ 500 GeV) particle production in the forward region is confirmed to be especially important, while the central region becomes relevant at low energies (√s ≲ 50 GeV) in particular for muons at large distances. Additionally, I study the impact of modified hadronic interactions on air shower ob-servables. Modified hadron-air cross-sections mainly affect the longitudinal development, causing a larger shift of the maximum muon production depth than of the shower maximum. Artificially increased ρ 0 production, on the other hand, can greatly increase the number of muons with only small impact on other observables. Finally, I also consider the possibility of large multiplicity boson production in the first interaction and study its phenomenology in air showers with a simple toy model. Within the scope of this thesis, I developed the foundations of the CORSIKA 8 framework. Based on the studies that have become possible with CORSIKA 8, I point out some new opportunities towards an improved understanding of muons in air showers.