Determinación de propiedades físicas de interacciones hadrónicas de alta energía a partir de la anticorrelación xmasNp

Abstract

Desde el descubrimiento de los rayos cósmicos a principios del siglo XX se diseñaron numerosos experimentos para estudiarlos de forma directa o mediante las lluvias atmosféricas que generan al entrar en la atmósfera terrestre. El observatorio más grande diseñado para detectar estas lluvias es el Observatorio Pierre Auger ubicado en Malargue, Argentina. Aquí se abordan muchas cuestiones relacionadas con la astrofísica y la física de partículas. En particular, dado que los rayos cósmicos alcanzan energías superiores a las que son posibles en los aceleradores artificiales, representan objetos excelentes y únicos para estudiar las propiedades físicas a las más altas energías. A medida que una lluvia avanza en la atmósfera, crece el número de partículas que la constituyen. Al mismo tiempo, las energías individuales disminuyen hasta que es más probable que las partículas decaigan o sean absorbidas por la atmósfera, lo que vuelve a disminuir el número de partículas. Esto significa que existe una posición de máximo desarrollo Xmax. Las partículas que interactúan hadrónicamente producen muones que se pueden medir a nivel del suelo. Nμ junto con Xmax son observables medidos en el Observatorio Pierre Auger que presentan una anticorrelación significativa. En el presente trabajo se estudia esta anticorrelación. Se desarrolla un modelo analítico que expresa la anticorrelación Xmax-Nμ como función de parámetros que describen la multiplicidad de partículas que interactúan hadrónicamente, la fracción de energía que estas partículas se llevan y la inelasticidad de la primera interacción y correspondientes macroparámetros efectivos representativos de toda la lluvia. Luego se mejora este modelo utilizando redes neuronales entrenadas con los valores de los parámetros y observables obtenidos de simulaciones realizadas con CONEX. El modelo resultante es universal en el sentido que no depende del modelo de interacciones a altas energías utilizado durante las simulaciones. Finalmente, se aplica un modelo con un conjunto reducido de parámetros a un conjunto preliminar de datos de Auger. Se infieren para el conjunto de datos las distribuciones de la multiplicidad hadrónica de la primera interacción, la fracción de energía hadrónica de la primera interacción y la Inelasticidad efectiva del resto de la lluvia. Estas revelan que la multiplicidad y la fracción de energía hadrónica de la primera interacción son generalmente demasiado bajas en los modelos actuales de interacciones a altas energías utilizados en las simulacionesSince the discovery of cosmic rays at the beginning of the 20th century, numerous experiments were designed to study them directly or through the atmospheric rains they generate when entering the Earth's atmosphere. The largest observatory designed to detect these showers is the Pierre Auger Observatory located in Malargue, Argentina. Many questions related to astrophysics and particle physics are addressed here. In particular, since cosmic rays reach energies higher than those possible in artificial accelerators, they represent excellent and unique objects for studying physical properties at the highest energies. As a rain advances in the atmosphere, the number of particles that constitute it increases. At the same time, individual energies decrease until the particles are more likely to decay or be absorbed by the atmosphere, again decreasing the number of particles. This means that there is a position of maximum development Xmax. Hadronically interacting particles produce muons that can be measured at ground level. Nμ together with Xmax are observables measured at the Pierre Auger Observatory that present a significant anticorrelation. In the present work this anticorrelation is studied. An analytical model is developed that expresses the anticorrelation rain. This model is then improved using neural networks trained with the values ​​of the parameters and observables obtained from simulations carried out with CONEX. The resulting model is universal in the sense that it does not depend on the high-energy interaction model used during the simulations. Finally, a model with a reduced set of parameters is applied to a preliminary Auger data set. The distributions of the hadronic multiplicity of the first interaction, the fraction of hadronic energy of the first interaction and the effective inelasticity of the rest of the shower are inferred for the data set. These reveal that the multiplicity and fraction of hadronic energy of the first interaction are generally too low in the current high-energy interaction models used in the simulations.