Funcionamiento del detector de superficie mejorado del Observatorio Pierre Auger

Abstract

Hasta la fecha, la física de los rayos cósmicos ultraenergéticos es uno de los mayores enigmas sin resolver de la ciencia. Desde 2004, con el inicio de la adquisición de datos del Observatorio Pierre Auger, el cual es actualmente el mayor observatorio del mundo para la detección de rayos cósmicos de ultra-altas energías, se han logrado avances significativos en la comprensión de estas partículas excepcionales. A pesar de que algunas propiedades de los rayos cósmicos ultra energéticos, tal como la abrupta caída del flujo de partículas con energías por encima de 1020 eV, se han determinado y confirmado con una precisión muy alta, numerosas preguntas continúan sin respuesta, por ejemplo, el origen de estas partículas o sus mecanismos de aceleración. Asimismo, recientes resultados inesperados como la tendencia a una composición más pesada a energías más altas plantean aún más interrogantes que deberán ser abordados por los experimentos de rayos cósmicos actuales y futuros. En los próximos años, la Colaboración Pierre Auger contribuirá a la investigación de los rayos cósmicos ultra energéticos con la inminente actualización del Observatorio denominada AugerPrime, la cual tiene como objetivo mejorar la sensibilidad de los detectores para determinar la composición individual de cada evento. En esta tesis, presentamos estudios exhaustivos del rendimiento de los detectores actuales y nuevos del Detector de Superficie del Observatorio Pierre Auger, centrándonos en la evaluación de los componentes de Au- gerPrime. Con este objetivo, seguimos la evolución del proceso de actualización, desde la primera medición de prueba durante la producción de los detectores, hasta su uso final en la reconstrucción de las cascadas atmosféricas. En el análisis del rendimiento en condiciones de laboratorio de los detectores de centelleo de superficie recién construidos, investigamos la calidad de la señal de los nuevos componentes del detector y exploramos todo su potencial en profundidad. En este sentido, demostramos la estabilidad y la alta calidad de los más de 660 detectores producidos en el Instituto Tecnológico de Karlsruhe, así como también corroboramos que los requisitos previamente definidos se satisfagan. Además, evaluamos la aptitud de los componentes más cruciales del detector en las condiciones de medición del Observatorio mediante estudios detallados del rendimiento de los nuevos tableros electrónicos en las estaciones actualizadas del detector de superficie. Por medio de la comparación de las propiedades generales y los niveles de ruido de varias versiones de hardware chequeamos en detalle los requisitos mínimos de los detectores y caracterizamos el tipo final de tableros electrónicos que se instalarán en todas las estaciones del Detector de Superficie. Además de las evaluaciones del hardware, presentamos el análisis exhaustivo de los procedimientos de calibración actualmente implementado para los principales subdetectore del Detector de Superficie: el detector Cherenkov y el Detector de Centelleo de Superficie. Debido al pobre rendimiento del procedimiento de calibración actual desarrollamos un nuevo algoritmo en el contexto de esta tesis. La optimización lograda del algoritmo proporciona una mayor flexibilidad, alcanzando así una eficiencia de calibración superior para los datos obtenidos con los detectores Cherenkov antes de la actualización y mejorando la accesibilidad e interpretación de los datos adquiridos con las estaciones de AugerPrime. De este modo, se pueden comparar el rendimiento de la reconstrucción realizada con diferentes configuraciones del arreglo de detectores de superficie, proporcionando un gran aporte para las futuras mediciones de cascadas atmosféricas con el Observatorio Pierre Auger. Finalmente, proponemos un nuevo procedimiento de calibración para reemplazar el algoritmo actualmente implementado en el marco del programa de análisis de la Colaboración Pierre Auger. El nuevo algoritmo sirve de base para el desarrollo de nuevos métodos para la determinación de la composición de rayos cósmicos de ultra-altas energías.

Until the present day, the physics of ultra-high energy cosmic rays is one of the greatest unsolved puzzles in science. With the Pierre Auger Observatory, currently the world’s largest observatory for the detection of ultra-high energy cosmic rays, significant progress in the understanding of these exceptional particles has been achieved since its start of data acquisition in 2004. Although certain properties of the ultra-high energy cosmic rays have been determined and confirmed with a very high precision, like the suppression of the flux of particles with energies above 1020 eV, numerous open questions remain unanswered, for instance the origin of these particles or their acceleration mechanisms. Furthermore, recent unexpected observation, e.g., the tendency towards a heavier mass composition at the highest energies, raise even more questions which have to be addressed by the current and future ultra-high energy cosmic rays experiments. The Pierre Auger Collaboration will participate in the future ultra-high energy cosmic ray research with the upcoming AugerPrime upgrade, which will enhance the sensitivity of the detectors towards the determination of the mass composition on an event-by-event level. In this thesis, we present extensive studies of the performance of the current and new detectors of the Surface Detector of the Pierre Auger Observatory, focusing on the evaluation of the AugerPrime components. Thereby, we follow the evolution of the upgrade process, from the first test measurement during the detector production to the final use of the detectors in the reconstruction of air showers. In the analysis of the performance of the newly constructed Surface Scintillator Detectors under laboratory conditions, we investigate the signal quality of the new detector components and explore further their full potential. Therein, we demonstrate the stable and high quality detector production of more than 660 units at the Karlsruhe Institute of Technology, as well as validate that the previously defined requirements have been fulfilled. Furthermore, we evaluate the readiness of the most crucial detector components under the measurement conditions in the Observatory in detailed studies of the performance of the new electronics boards for the upgraded Surface Detector stations. With the comparisons of various hardware versions regarding their general properties and noise levels, the mínimum requirements are tested in detail and the final type of electronics boards which will be deployed in all Surface Detector stations is characterized. Besides the hardware evaluations, we present the extensive analysis of the currently implemented calibration procedures for the main sub-detectors of the Surface Detector station, the wáter Cherenkov detector and the Surface Scintillator Detector. Due to the por performance of the current procedure, a new algorithm is developed in the scope of this thesis. With the optimized algorithm offering an enhanced flexibility towards changes in the data, we achieve a superior calibration efficiency for the events obtained with the non-upgraded water-Cherenkov detectors, as well as the accessibility and interpretation of the data obtained with the AugerPrime stations is significantly improved. This enables comparisons of the reconstruction performance of the different Surface Detector array configurations providing an outlook for the forthcoming measurements of air showers at the Pierre Auger Observatory. Finally, we propose the new calibration procedure to replace the currently implemented algorithm in the analysis software framework of the Pierre Auger Collaboration. The new algorithm can serve as a basis for the development of new methods for the determination of the mass composition of ultra-high energy cosmic rays.