Determinación de composición de rayos cósmicos en el Obserbatorio Pierre Auger para estudio de la transición galáctica-extragaláctica
Después de mas de un siglo del descubrimiento de los rayos cósmicos se han hecho muchos avances en el campo. A partir de las ultimas mediciones hechas en el Observatorio Pierre Auger a las mas altas energías se ha observado una transición en composición como función de la energía, se han obtenido co...
Guardado en:
| Autor principal: | |
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| Lenguaje: | Español |
| Publicado: |
2019
|
| Materias: | |
| Acceso en línea: | http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/881/1/1Barrera_Castillo.pdf |
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Instituto Balseiro |
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Repositorio Institucional Centro Atómico Bariloche e Instituto Balseiro (RICABIB) |
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Partículas y campos Scintillation detectors Detectores de centelleo [Ultra high energy cosmic rays Rayos cósmicos de ultra alta energía Pierre Auger observatory Observatorio Pierre Auger Analog digital converter Conversor analógico digital Universality model Modelo de la Universalidad Extensive air showers Lluvias atmosféricas extendidas] |
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Partículas y campos Scintillation detectors Detectores de centelleo [Ultra high energy cosmic rays Rayos cósmicos de ultra alta energía Pierre Auger observatory Observatorio Pierre Auger Analog digital converter Conversor analógico digital Universality model Modelo de la Universalidad Extensive air showers Lluvias atmosféricas extendidas] Barrera Castillo, Mónica A. Determinación de composición de rayos cósmicos en el Obserbatorio Pierre Auger para estudio de la transición galáctica-extragaláctica |
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Partículas y campos Scintillation detectors Detectores de centelleo [Ultra high energy cosmic rays Rayos cósmicos de ultra alta energía Pierre Auger observatory Observatorio Pierre Auger Analog digital converter Conversor analógico digital Universality model Modelo de la Universalidad Extensive air showers Lluvias atmosféricas extendidas] |
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Después de mas de un siglo del descubrimiento de los rayos cósmicos se han hecho muchos avances en el campo. A partir de las ultimas mediciones hechas en el Observatorio Pierre Auger a las mas altas energías se ha observado una transición en composición como función de la energía, se han obtenido correlaciones con fuentes extra galácticas, se ha medido el espectro con mayor estadística, entre otros. Aunque muchas de las principales cuestiones acerca de rayos cósmicos han sido resueltas, aun quedan dudas sin resolver. Particularmente este trabajo se enfoca en el estudio de la correlación de composición con dirección de arribo de los rayos cósmicos de ultra alta energía (UHECR).
Los rayos cósmicos de alta energía se estudian a través de las cascadas de partículas secundarias que generan en las interacciones con los átomos de la atmósfera. En el Observatorio Pierre Auger los análisis de la composición de los rayos cósmicos se hacen a partir de la observación del perfil longitudinal de las lluvias, medido con los detectores de fluorescencia (FD). De las mediciones se puede obtener directamente la profundidad atmosférica máxima (X_max), que de acuerdo a simulaciones es proporcional a la composición del primario. Los FD funcionan únicamente en noches sin luna, con lo cual su exposición con respecto a los SD es muy baja. De las mediciones con SD se determinan los parámetros geométricos de la cascada y la densidad de partículas a nivel del suelo, pero no es posible obtener directamente X_max, lo que dificulta hacer análisis en composición evento por evento.
En este trabajo se busco desarrollar un mecanismo que permitiera separar en composición el set de datos de Auger obtenido a partir de los SD de todo el arreglo, buscando correlacionar la composición con la dirección de arribo en energías alrededor y debajo de 10"18.7 eV, lo que se conoce como \tobillo" en el espectro de rayos cósmicos. Para tal objetivo se partió del modelo de la Universalidad, el cual permite calcular la señal a una dada distancia del eje de la cascada teniendo los parámetros geométricos de la misma, la energía, el X_max y el Nμ. Este ultimo parámetro hace referencia a la cantidad de muones a nivel del suelo.
Originalmente el modelo de la Universalidad que se encuentra en el programa de reconstrucción CDAS, Centro de Adquisición del Observatorio, esta calibrado para eventos de energía mayor a 10"19 eV. Debido a esto era necesario extender el modelo a energías mas bajas. En trabajos anteriores [1] se mostró una mejor correspondencia entre la señal calculada y la medida cuando se añadía un 17% a Nμ y 1% a la energía del primario utilizando eventos medidos con detectores por efecto Cherenkov (WCD) y de centelleo (SSD). Sin embargo, se contaba con poca estadística para la fecha a la cual se realizo el ajuste y la electrónica con que se digitalizaba la señal de los SSD
presentaba múltiples problemas. Al día de hoy se pueden encontrar en el campo 77 SSD funcionando con la tarjeta electrónica original UB de Unied Board, llamados Preproduction Array (PPA), y 5 con la nueva versión de la tarjeta electrónica UUB de Upgraded Unied Board.
Lo primero que se hizo en este trabajo fue verificar el correcto funcionamiento de la segunda versión de la UUB, en particular respecto al ruido de baja frecuencia encontrado en la primera versión [1]. Se comprobó que dicho error se redujo en alrededor de 30 %. Ademas, fue posible observar que las variaciones en la línea de base de los detectores de centelleo se redujeron de manera significativa. Adicionalmente, se monitoreo la caída en la línea de base tras registrar señal y su relación con la carga integrada en dicho evento. Se confirmó que hubo mejoras en el cambio de la electrónica de acuerdo con lo esperado.
Posteriormente se procedió a validar el ajuste propuesto en [1] utilizando todos los eventos medidos en el Inll, con las estaciones UUB, UB y las pertenecientes al PPA. Se confirmó la corrección propuesta observando los eventos medidos con las distintas estaciones por separado como de manera combinada, lo que permitió contrastar las diferencias en la electrónica.
Teniendo validado un modelo de señal esperada promedio en cada detector se propuso un mecanismo que permitiera separar eventos en composición de núcleo pesado (HE) o liviano (LI) cambiando Nμ y X_max en el calculo de la señal. Se ajustaron 2 LDF, Lateral Distribución Function, a cada evento. La separación en los grupos se hizo asignando a cada evento la LDF que mejor ajustaba. De los resultados se encontró una mayor cantidad de eventos pesados cuya energía reconstruida era menor que la encontrada en los eventos LI. Se observo que el modelo presenta sesgos en la dirección de arribo que deben corregirse. |
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I25-R131-8812021-04-19T15:00:13Z Determinación de composición de rayos cósmicos en el Obserbatorio Pierre Auger para estudio de la transición galáctica-extragaláctica Composition determination in the Pierre Auger Observatory to study of the galactic to extragalactic transition Barrera Castillo, Mónica A. Partículas y campos Scintillation detectors Detectores de centelleo [Ultra high energy cosmic rays Rayos cósmicos de ultra alta energía Pierre Auger observatory Observatorio Pierre Auger Analog digital converter Conversor analógico digital Universality model Modelo de la Universalidad Extensive air showers Lluvias atmosféricas extendidas] Después de mas de un siglo del descubrimiento de los rayos cósmicos se han hecho muchos avances en el campo. A partir de las ultimas mediciones hechas en el Observatorio Pierre Auger a las mas altas energías se ha observado una transición en composición como función de la energía, se han obtenido correlaciones con fuentes extra galácticas, se ha medido el espectro con mayor estadística, entre otros. Aunque muchas de las principales cuestiones acerca de rayos cósmicos han sido resueltas, aun quedan dudas sin resolver. Particularmente este trabajo se enfoca en el estudio de la correlación de composición con dirección de arribo de los rayos cósmicos de ultra alta energía (UHECR). Los rayos cósmicos de alta energía se estudian a través de las cascadas de partículas secundarias que generan en las interacciones con los átomos de la atmósfera. En el Observatorio Pierre Auger los análisis de la composición de los rayos cósmicos se hacen a partir de la observación del perfil longitudinal de las lluvias, medido con los detectores de fluorescencia (FD). De las mediciones se puede obtener directamente la profundidad atmosférica máxima (X_max), que de acuerdo a simulaciones es proporcional a la composición del primario. Los FD funcionan únicamente en noches sin luna, con lo cual su exposición con respecto a los SD es muy baja. De las mediciones con SD se determinan los parámetros geométricos de la cascada y la densidad de partículas a nivel del suelo, pero no es posible obtener directamente X_max, lo que dificulta hacer análisis en composición evento por evento. En este trabajo se busco desarrollar un mecanismo que permitiera separar en composición el set de datos de Auger obtenido a partir de los SD de todo el arreglo, buscando correlacionar la composición con la dirección de arribo en energías alrededor y debajo de 10"18.7 eV, lo que se conoce como \tobillo" en el espectro de rayos cósmicos. Para tal objetivo se partió del modelo de la Universalidad, el cual permite calcular la señal a una dada distancia del eje de la cascada teniendo los parámetros geométricos de la misma, la energía, el X_max y el Nμ. Este ultimo parámetro hace referencia a la cantidad de muones a nivel del suelo. Originalmente el modelo de la Universalidad que se encuentra en el programa de reconstrucción CDAS, Centro de Adquisición del Observatorio, esta calibrado para eventos de energía mayor a 10"19 eV. Debido a esto era necesario extender el modelo a energías mas bajas. En trabajos anteriores [1] se mostró una mejor correspondencia entre la señal calculada y la medida cuando se añadía un 17% a Nμ y 1% a la energía del primario utilizando eventos medidos con detectores por efecto Cherenkov (WCD) y de centelleo (SSD). Sin embargo, se contaba con poca estadística para la fecha a la cual se realizo el ajuste y la electrónica con que se digitalizaba la señal de los SSD presentaba múltiples problemas. Al día de hoy se pueden encontrar en el campo 77 SSD funcionando con la tarjeta electrónica original UB de Unied Board, llamados Preproduction Array (PPA), y 5 con la nueva versión de la tarjeta electrónica UUB de Upgraded Unied Board. Lo primero que se hizo en este trabajo fue verificar el correcto funcionamiento de la segunda versión de la UUB, en particular respecto al ruido de baja frecuencia encontrado en la primera versión [1]. Se comprobó que dicho error se redujo en alrededor de 30 %. Ademas, fue posible observar que las variaciones en la línea de base de los detectores de centelleo se redujeron de manera significativa. Adicionalmente, se monitoreo la caída en la línea de base tras registrar señal y su relación con la carga integrada en dicho evento. Se confirmó que hubo mejoras en el cambio de la electrónica de acuerdo con lo esperado. Posteriormente se procedió a validar el ajuste propuesto en [1] utilizando todos los eventos medidos en el Inll, con las estaciones UUB, UB y las pertenecientes al PPA. Se confirmó la corrección propuesta observando los eventos medidos con las distintas estaciones por separado como de manera combinada, lo que permitió contrastar las diferencias en la electrónica. Teniendo validado un modelo de señal esperada promedio en cada detector se propuso un mecanismo que permitiera separar eventos en composición de núcleo pesado (HE) o liviano (LI) cambiando Nμ y X_max en el calculo de la señal. Se ajustaron 2 LDF, Lateral Distribución Function, a cada evento. La separación en los grupos se hizo asignando a cada evento la LDF que mejor ajustaba. De los resultados se encontró una mayor cantidad de eventos pesados cuya energía reconstruida era menor que la encontrada en los eventos LI. Se observo que el modelo presenta sesgos en la dirección de arribo que deben corregirse. After more than a century since their discovery, a lot of advances have been made in the eld of cosmic rays. Recent measurements from the highest energies at the Pierre Auger Observatory have shown a composition transition as a function of energy, hints of correlation with extragalactic sources have been found, the spectrum has been measured with more statistics, etc. Even though most of the principal questions concerning cosmic rays have been answered there are still many issues unsolved. This work focuses on the correlation of composition with arrival direction of ultra high energy cosmic rays (UHECR). High energy cosmic rays produce secondary particles in their interaction with the atoms in the atmosphere that receive the name of extensive air showers. At Pierre Auger Observatory the longitudinal development of these showers is measured using the fluorescence detectors (FD) in order to obtain a direct value of the maximum atmospheric depth (X_max), which is proportional to the composition of the primary. FD can only be used on nights without moon so most of the events are measured using the surface detectors (SD). From events measured with SD, X_max cannot be directly measured which complicates composition analysis event by event. In this work, we aimed to develop a mechanism that allowed us to separate events by composition measured in the SD main Array. The primal objective is to correlate the results with arrival direction at energies below 10"18.7 eV, which corresponds to the\ankle" in the spectrum of cosmic rays. We used the Universality model which enables us to calculate the signal at a given distance from the shower axis from the geometry of the shower, the primary energy, X_max and Nμ, proportional to the number of muons at ground level. The Universality model available at CDAS reconstruction program is calibrated for events with energy over 10"19 eV. In order to use this model in the energies of interest we needed an extension for lower energies. Previous work [1] showed that adding 17% to Nμ and 1% to the primary energy leads to better correspondence between the calculated and measured signal. In the study were used events measured with water Cherenkov detectors (WCD) and scintillator detectors (SSD), that operated with the new electronics board UUB (Upgraded Unied Board) which presented multiple problems. To the day there is a new version of the UUB installed to 5 stations and also 77 SSD are connected to the original version of the electronics, UB (Unied Board). The array of SSD operating with the UB is known as the Pre production Array (PPA). The rst part of this work consisted on monitoring the development of the second version of the UUB, in particular we veried a reduction in the presence of low frequency noise. The improvements in the second version were conrmed as expected. Afterwards, we validated the proposal on the Universality model made in [1] using all the events measured in the Infill array. The analysis was made considering the different electronics in the field as well as together in order to evaluate differences in the performance of the SSD. Using the Universality model validated at the energies of interest we adjusted two later distribution functions (LDF) to the measured one, changing the Nμ and X_max in the Universality model and using the values from the reconstruction as seed. The changes in the two LDF were selected from what is expected for a heavy composition nuclei or a light one. We found bias with respect to the arrival direction which has to be improved. 2019-12-12 Tesis NonPeerReviewed application/pdf http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/881/1/1Barrera_Castillo.pdf es Barrera Castillo, Mónica A. (2019) Determinación de composición de rayos cósmicos en el Obserbatorio Pierre Auger para estudio de la transición galáctica-extragaláctica / Composition determination in the Pierre Auger Observatory to study of the galactic to extragalactic transition. Maestría en Ciencias Físicas, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro. http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/881/ |