Chemical Composition of Cosmic Ray in the 5 EeV region and upgrade of the Auger Observatory

Abstract

Los rayos cósmicos de ultra alta energía son partículas que llegan a la Tierra con energías superiores a 1018 eV. Cuando estas partículas interactúan con núcleos en la atmósfera terrestre, se producen partículas secundarias que se propagan hacia el suelo en forma de lluvias atmosféricas extendidas. En la actualidad, varios interrogantes persisten respecto a los rayos cósmicos de ulta alta energía: las fuentes y mecanismos de aceleración que les dan origen, así como su composición (fracción de protones y/o diferentes tipos de núcleos) y la naturaleza de la supresión en el flujo de su espectro de energía, entre otros, aún son desconocidos. Para arrojar luz sobre estos acertijos, los rayos cósmicos de más altas energías se estudian en el Observatorio Pierre Auger donde se implementa una tecnología de detección híbrida con el objetivo de mejorar la estadística y minimizar las incertezas sistemáticas. Actualmente, el Observatorio Pierre Auger se encuentra atravesando una importante actualización de sus capacidades denominada AugerPrime. Nuevos detectores, como antenas de radio, detectores centelladores de superficie y detectores centelladores enterrados se están implementando como parte de esta actualización. Con la extensión denominada “Auger Muons and Infill for the Ground Array (AMIGA)” se tiene como objetivo reducir el umbral de detección del Observatorio Pierre Auger a energías de ∼ 1016.5 eV y realizar mediciones directas del contenido muónico de lluvias atmosféricas extendidas. AMIGA consiste en un arreglo de detectores de agua de Cherenkov y detectores centelladores enterrados. Éstos se disponen en dos grillas triangulares superpuestas de 433 m y 750 m de separación. Cada detector centellador tiene un área total de 30 m2 y está enterrado a una profundidad de 2.3 m para blindarlo de la componente electromagnética de las lluvias. El detector enterrado se segmenta en tiras de centellador plástico con fibras ópticas de desplazamiento de longitud de onda acopladas a una serie de fotomultiplicadores de silicio (SiPM). En este trabajo, presentamos varios estudios sobre el detector de muones subterráneo (UMD) de AMIGA, el cual tiene dos modos de funcionamiento: el contador, diseñado para medir directamente las partículas a medida que inciden en el detector y optimizado para medir bajas densidades de muones y el integrador, que permite estimar el contenido de muónico de las lluvias atmosféricas extendidas dividiendo la carga total de las señales por la carga media de un muón. En primer lugar, describimos el procedimiento de calibración de los SiPMs de AMIGA y presentamos cómo se establece el punto de operación del modo contador. Utilizando datos de laboratorio y del campo, hemos realizado estudios para corroborar la estabilidad de ganancia de los SiPMs bajo fluctuaciones de temperatura. Se caracterizó además las fuentes de ruido que afectan al detector, y se propuso una estrategia de conteo de muones que reduce el ruido de los SiPMs sin perder significativamente señal de muones.