El contenido de muones de las lluvias de aire atmosférico y la composición de masa de los rayos cósmicos

The muon content of atmospheric air showers and the mass composition of cosmic rays
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Tipo de recurso
TESIS DE DOCTORADO
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Titular
Inventor
Solicitante
Afiliación
Fil: Gesualdi, Flavia. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto Sabato; Argentina.
Karlsruber Institut fur Technologie; Alemania
Sede CNEA
Centro Atómico Constituyentes
Fecha de publicación
Fecha de creación
2022-12-15
Idioma
eng
Nivel de accesibilidad
Condiciones de uso
https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
Versión
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
Identificador CNEA
ITS/TD 170/22
TD-ITS_EA-2022gesualdi
Identificador (documentos oficiales)
ISBN
ISSN
Cobertura espacial
Cobertura temporal
Materia INIS
ASTROFISICA
RAYOS COSMICOS
DETECCION DE RAYOS COSMICOS
DETECTORES DE CHAPARRON
MUONES
SILUMACION
ASTROPHYSICS
COSMIC RAYS
SHOWER COUNTERS
MUONS
SIMULATION
Palabras clave
Macro-area temática
Formato (extensión)
184 p.
Editor
Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia Área Académica. Gerencia Instituto Sabato
Universidad Nacional San Martin. Instituto de tecnología Sabato
Es parte de
Es parte la serie
Agrupamiento documental - Sección
Agrupamiento documental - Serie
Evaluación académica
Institución académica
Universidad Nacional San Martin. Instituto de Tecnología Sabato
Titulación
Doctor en Astrofísica
Fecha de resolución
Fecha de presentación de solicitud
Resolución
Estado
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Estado de licenciamiento
Nº de prioridad
Nº de patente
Nº de solicitud
País de registro
Nivel de madurez de la tecnología
Campo de aplicación
Campo de desarrollo
Resumen
Los rayos cósmicos son mensajeros del espacio que contienen la respuesta a los misterios más profundos del Universo: ¿Qué son exactamente? ¿De dónde vienen? ¿Cómo se aceleran hasta tales energías, y cómo son las leyes que rigen sus interacciones? A las energías más altas, estas escasas partículas sólo pueden detectarse a través de las lluvias de partículas secundarias que son generadas en sus interacciones con la atmósfera terrestre. Grandes observatorios, como el Observatorio Pierre Auger, detectan estas lluvias atmosféricas e intentan reconstruir la mayor información posible del rayo cósmico primario. En particular, el número de muones secundarios es un observable clave porque está directamente relacionado con la composición química del primario que los generó. La comprensión de la composición química en función de la energía arrojaría luz sobre diversas preguntas no resueltas fuertemente vinculadas al origen de los rayos cósmicos. El Observatorio Pierre Auger dispone de detectores de centelleo bajo tierra para detectar los muones de forma directa, el “Underground Muon Detector” (UMD). Esta tesis está dedicada a la determinación precisa del contenido de muones de las lluvias atmosféricas y al estudio de sus implicaciones sobre la composición química del primario. Analizamos mediciones directas de muones de lluvias atmosféricas con energías comprendidas entre 1017,22 eV y 1019,46 eV realizadas por dos experimentos. A las energías más bajas analizamos extensamente los datos del UMD, que complementamos a las energías más altas con mediciones de “Akeno Giant Air Shower Array” (AGASA). Para los datos del UMD, desarrollamos nuevos métodos que mejoran significativamente la estimación del número de muones. Estos métodos también permiten la reconstrucción de la señal de muones en función del tiempo con una resolución temporal sin precedentes, abriendo la puerta a la reconstrucción de nuevos observables sensibles a la composición química. Como aplicación, estudiamos la distribución lateral de muones medida con el UMD, así como los modelos que intentan describirla. Además, analizamos las implicaciones de los datos del UMD y de AGASA con respecto a la composición química. La interpretación de la composición de los datos sólo puede inferirse mediante una comparación contra simulaciones de lluvias atmosféricas. Por lo tanto, simulamos escenarios de protón puro, hierro puro y de composición mixta, basados en los tres modelos de última generación de las interacciones hadrónicas de alta energía. Para comparar mejor los resultados con los de otros experimentos, calculamos los llamados valores z, una escala del contenido de muones en los datos respecto del de simulaciones de protón y hierro. Los resultados combinados ofrecen una imagen coherente con la de otros experimentos: la composición inesperadamente pesada constituye evidencia de un déficit de muones en las simulaciones de lluvias atmosféricas que aumenta con la energía. Estos resultados pueden ayudar a mejorar los modelos de interacciones hadrónicas de altas energías, lo que a su vez mejoraría la precisión de las inferencias de composición química.
Cosmic rays are messengers from space that hold the answer to the deepest mysteries of the Universe: What exactly are they? Where do they come from? How are they accelerated to such energies, and what are the laws that govern their interactions? At the highest energies, these few particles can only be detected through showers of secondary particles that are generated in their interactions with the Earth's atmosphere. Large observatories, such as the Pierre Auger Observatory, detect these atmospheric showers and try to reconstruct as much information as possible from the primary cosmic ray. In particular, the number of secondary muons is a key observable because it is directly related to the chemical composition of the primary that generated them. Understanding chemical composition as a function of energy would shed light on several unresolved questions strongly linked to the origin of cosmic rays. The Pierre Auger Observatory has underground scintillation detectors to detect muons directly, the “Underground Muon Detector” (UMD). This thesis is dedicated to the precise determination of the muon content of atmospheric rainfall and the study of its implications on the chemical composition of the primary. We analyze direct measurements of atmospheric shower muons with energies between 1017.22 eV and 1019.46 eV carried out by two experiments. At the lowest energies we extensively analyzed the UMD data, which we complemented at the highest energies with measurements from the “Akeno Giant Air Shower Array” (AGASA). Para los datos del UMD, desarrollamos nuevos métodos que mejoran significativamente la estimación del número de muones. Estos métodos también permiten la reconstrucción de la señal de muones en función del tiempo con una resolución temporal sin precedentes, abriendo la puerta a la reconstrucción de nuevos observables sensibles a la composición química. Como aplicación, estudiamos la distribución lateral de muones medida con el UMD, así como los modelos que intentan describirla. Además, analizamos las implicaciones de los datos del UMD y de AGASA con respecto a la composición química. La interpretación de la composición de los datos sólo puede inferirse mediante una comparación contra simulaciones de lluvias atmosféricas. Por lo tanto, simulamos escenarios de protón puro, hierro puro y de composición mixta, basados en los tres modelos de última generación de las interacciones hadrónicas de alta energía. Para comparar mejor los resultados con los de otros experimentos, calculamos los llamados valores z, una escala del contenido de muones en los datos respecto del de simulaciones de protón y hierro. Los resultados combinados ofrecen una imagen coherente con la de otros experimentos: la composición inesperadamente pesada constituye evidencia de un déficit de muones en las simulaciones de lluvias atmosféricas que aumenta con la energía. Estos resultados pueden ayudar a mejorar los modelos de interacciones hadrónicas de altas energías, lo que a su vez mejoraría la precisión de las inferencias de composición química.
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