Sobre la universalidad de la lluvia de aire y la composición masiva de los rayos cósmicos de energía ultraalta

Abstract

La cuestión del origen de los rayos cósmicos de energía ultraalta es uno de los problemas no resueltos de la física actual. Un paso importante hacia la respuesta es poder identificar partículas mínimamente desviadas en el cielo, cuyas direcciones de llegada apuntan potencialmente hacia sus fuentes. Esto sólo puede lograrse mediante una estimación a nivel de evento de la masa (y por tanto de la carga) de los rayos cósmicos. En este trabajo revisito y amplié el trabajo sobre la universalidad de las duchas de aire realizado en las últimas décadas para identificar rayos cósmicos ligeros y pesados ​​con experimentos modernos con detectores de superficie. Esta tesis comprende una revisión detallada de los enfoques analíticos para describir lluvias de aire extensas, así como una guía paso a paso de cómo desarrollar un modelo de la distribución espacial y temporal de partículas en lluvias de aire extensas. Presento consideraciones sobre qué observables dependen y son sensibles a la profundidad del máximo de la lluvia, así como al contenido relativo de muones. El modelo está parametrizado y probado mediante simulaciones de Monte Carlo. Además, propongo un método para calcular el número de masa atómica de los rayos cósmicos primarios directamente a partir de la información combinada de la profundidad del máximo de la lluvia y el contenido relativo de muones, junto con una forma de calibrar el método utilizando datos de detectores de fluorescencia. Por último, presento resultados sobre la composición de masa de los rayos cósmicos de mayor energía, así como una selección de eventos de alta rigidez, que se identifican en los datos del Observatorio Pierre Auger.The question of the origin of ultra-high-energy cosmic rays is one of the unsolved problems in physics today. An important step towards the answer is to be able to identify minimally deflected particles in the sky, whose arrival directions potentially point towards their sources. This can be achieved only by an event-level estimate of the mass – and thus the charge – of cosmic rays. In this work I revisit and extend the work on air-shower universality done in the last decades to identify light and heavy cosmic rays with modern surface-detector experiments. This thesis comprises a detailed review on analytical approaches to describe extensive air showers, as well as a step-by-step guide of how to develop a model of the spatial and temporal distribution of particles in extensive air showers. I present considerations on which observables are dependent and sensitive on the depth of the shower maximum as well as on the relative muon content. The model is parametrized and tested using Monte Carlo simulations. Furthermore, I propose a method to calculate the atomic mass number of primary cosmic rays directly from the combined information of the depth of the shower maximum and the relative muon content, along with a way to calibrate the method using data from fluorescence detectors. At last, I present results on the mass composition of the highest-energy cosmic rays as well as a selection of high-rigidity events, which are identified in the data of the Pierre Auger Observatory.