Tesis Doctoral EEssppeeccttrroo yy ccoommppoossiicciióónn ddee llooss rraayyooss ccóóssmmiiccooss eenn eell rraannggoo ddee eenneerrggííaa ddee llaa ttrraannssiicciióónn ggaallááccttiiccaa--eexxttrraaggaallááccttiiccaa Tamashiro, Alejandro Andrés 2010 Este documento forma parte de la colección de tesis doctorales y de maestría de la Biblioteca Central Dr. Luis Federico Leloir, disponible en digital.bl.fcen.uba.ar. Su utilización debe ser acompañada por la cita bibliográfica con reconocimiento de la fuente. This document is part of the doctoral theses collection of the Central Library Dr. Luis Federico Leloir, available in digital.bl.fcen.uba.ar. It should be used accompanied by the corresponding citation acknowledging the source. Cita tipo APA: Tamashiro, Alejandro Andrés. (2010). Espectro y composición de los rayos cósmicos en el rango de energía de la transición galáctica-extragaláctica. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires. Cita tipo Chicago: Tamashiro, Alejandro Andrés. "Espectro y composición de los rayos cósmicos en el rango de energía de la transición galáctica-extragaláctica". Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires. 2010. DDiirreecccciióónn:: Biblioteca Central Dr. Luis F. Leloir, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires. CCoonnttaaccttoo:: [email protected] Intendente Güiraldes 2160 - C1428EGA - Tel. (++54 +11) 4789-9293 UNIVERSIDAD DE BUENOS AIRES Fa ultad de Cien ias Exa tas y Naturales Departamento de Físi a Espe tro y omposi ión de los rayos ósmi os en el rango de energía de la transi ión galá ti a-extragalá ti a Trabajo de Tesis para optar al título de Do tor de la Universidad de Buenos Aires en el área de Cien ias Físi as por Alejandro Andrés Tamashiro Dire tor de Tesis: Dr. Adrián Carlos Rovero Dire tor Asistente: Dr. Alberto Et hegoyen Lugar de Trabajo: Instituto de Astronomía y Físi a del Espa io CONICET-UBA Agosto 2010 A mis hi as Eri a, Abril y Maemi. Agrade imientos Durante la etapa de mi do torado he ontado on el apoyo y guía de Adrián Rovero, a quien agradez o su pa ien ia, su dedi a ión, su ex elente predisposi- ión en el pro eso de mi forma ión omo ientí(cid:28) o, omo así también haberme trasmitido espíritu proa tivo y urioso por entender ada día más y más. También quiero agrade er a Alberto Et hegoyen sus sabios onsejos y haberme otorgado un tiempo valioso dentro de su apretada agenda, para realizar nuestras reuniones de los (cid:16)Miér oles(cid:17), que onstituyeron el espaldarazo (cid:28)nal que ne esitaba para darle una on lusión al presente trabajo. A Daniel y Matias su predisposi ión en ompartir y dis utir onmigo los re- sultados de sus trabajos sobre los uales me he apoyado para realizar una parte importante de mi trabajo que forman parte de esta tesis. A los ompañeros de batalla de la alibra ión on el Drum: Je(cid:27), Pablo, John, Rob, a mis olegas y amigos de do torado del IAFE, del Tandar y de la UTN: Anita, Martín, Cle, Diego, Fede, nuestra (cid:16)senior do tora(cid:17) Carla, Mar os y Andrés les agradez o su amistad y los hermosos momentos ompartidos en Malargüe. A mis amigos y olegas del IAFE, quienes generan del lugar de trabajo un ambiente familiary ordial que ha e que todo investigador quiera formar parte de esta institu ión. A Sergio, Pablo, Daniel, Alberto y Liliana su amistad, apoyo y onsejos, prin- ipalmente en aquellas épo as donde pare ía muy lejana la ulmina ión de mi do torado. A Mamá, Papá, Ale, Ovi y Tío Fernando su apoyo in ondi ional y ayudarme a uidar de mis dos joyitas más pre iadas. A Eri a, mi esposa, amiga y ompañera de la vida, su amor, omprensión y onten ión en los momentos más difí iles y también en los más feli es, y a Abril y a Memi quienes ha en que el esfuerzo y dedi a ión invertidos en realizar este trabajo tengan sentido. i Resumen La atmósfera terrestre está siendo ontinuamente bombardeada por partí ulas que viajan a gran velo idad, las uales ontribuyen a la radia tividad natural observada en la super(cid:28) ie terrestre. A prin ipios del siglo pasado, se pensó que estaradia ióneraoriginadaporrayosgamma,ya queestos onstituíanlaradia ión extraterrestre más energéti a y penetrante ono ida en aquella épo a. Es por ello quelosentesresponsablesdegenerarestaradia iónfueronbautizados omo(cid:16)Rayos Cósmi os(cid:17). Hoy en día se sabe que la mayoría de estos (cid:16)rayos(cid:17) son nú leos de átomos y sólo una pequeña por ión son rayos gammay ele trones. Su espe tro de energía se 109eV 1020eV extiende a lo largo de 11 dé adas desde hasta energías del orden de , energías mu ho mayores a las al anzadas por partí ulas en ualquier a elerador reado por el hombre. 1017 eV La zona de los rayos ósmi os on energías mayores a ∼ es objeto de estudio en la a tualidad, debido a que todavía existen mu has preguntas sin res- pondera er adesunaturaleza,su omposi iónquími ayespe tro,losme anismos que les permiten al anzar energías ma ros ópi as, la ubi a ióny ara terísti as de los objetos astrofísi os donde se generan, su propaga ión a través del espa io, e in lusive uestiones más tras endentales para la físi a, omo su se ión e(cid:28) az on nu leones y fotones, temas aún uestionados para estas energías tan elevadas. El Observatorio Pierre Auger es un experimento a tualmente a tivo dedi ado al estudio de los rayos ósmi os altamente energéti os, uyo objetivo es brindar informa ión destinada a responder los enigmas aún vigentes para estas energías. El observatorio fue originalmente diseñado para dete tar rayos ósmi os on & 1018eV energías . El (cid:29)ujo de los rayos ósmi os en este rango de energías es . 1 km2/sr/ muy bajo ( partí ula/ año ). Es por ello que se plani(cid:28) ó que el área de 6000 km2 ole ión del Observatorio Pierre Auger al an e los , para poder dispo- ner de una antidad de eventos on una estadísti a sin pre edentes en este rango de energías. La ara terísti a distintiva de este observatorio es la de ser híbrido, disponiendo de dos tipos de dete tores: el dete tor de teles opios de Fluores en- ia y el arreglo de esta iones Cherenkov de Super(cid:28) ie, que le permite registrar el desarrollo longitudinal y las partí ulas al nivel de la super(cid:28) ie terrestre respe ti- vamente, pertene ientes a la lluvia de partí ulas generadas por los rayos ósmi os en la atmósfera terrestre. El Observatorio Pierre Auger onsta de un sitio en el hemisferio sur y otro en el norte. El Observatorio norte está en la fase de investiga ión y desarrollo y será onstruido en Larmaren el estado de Coloradoen Estados Unidos. El observatorio iii iv Resumen sur se ubi a en el departamento de Malargüe en la provin ia de Mendoza y está formado por un arreglo triangular de 1600 esta iones Cherenkov de super(cid:28) ie 1500 m km2 espa iadas a , ubriendo un área de 3000 , y por 24 teles opios de (cid:29)uores en ia apuntando ha ia el interior del arreglo de super(cid:28) ie distribuidos en 4 emplazamientos en su periferia. La etapa de onstru ión del Observatorio sur ha (cid:28)nalizado y ahora se en uentra en una etapa de in orpora ión de extensiones para 1017eV bajar el umbral de dete ión a energías del orden del ∼ , on el (cid:28)n de poder estudiar la zona del espe tro de energías donde existe una gran riqueza físi a, ya que se supone se en uentra la transi ión galá ti a-extragalá ti a del origen de los rayos ósmi os. Las extensiones men ionadas son dos, AMIGA y HEAT. La primera onsis- te en agregar dos nuevos arreglos más pequeños de esta iones de super(cid:28) ie on 433 m 750 m espa iamientos de y . La segunda de las extensiones ya está en fun- ionamiento y onsiste en el agregado de 3 teles opios de (cid:29)uores en ia apuntando a la parte más alta del desarrollo de las lluvias atmosféri as. Las esta iones Cherenkov de los nuevos arreglosestarán a ompañadas por on- tadores de muones que serán enterrados a sus lados. Esto permitirá medir dire - tamente la omponente muóni a de las lluvias, informa ión que será destinada a realizar estudios de omposi ión del rayo ósmi o primario. La alibra ión del Observatorio es fundamental para obtener el espe tro de energía de los rayos ósmi os dete tados. Durante mi tesis do toral he trabajado en la alibra ión, tanto de los dete tores de (cid:29)uores en ia, omo así también de las esta iones Cherenkov de super(cid:28) ie. La alibra ión absoluta del dete tor de (cid:29)uores en ia onsiste en ex itar ada uno de los teles opios mediante una fuente de luz arti(cid:28) ial extensa que se o- lo a sobre su apertura. He ara terizado esta fuente determinando el grado de uniformidad de su emisión de luz. Mediante el desarrollo de una simula ión de trazado de rayos he estudiado los efe tos de la desvia ión respe to de la emisión perfe tamente uniforme y he desarrollado un método para orregir estos efe tos. La alibra ión del dete tor de super(cid:28) ie se realiza utilizando la informa ión de las señales generadas por los muones atmosféri os de fondo. Para ello he par- ti ipado en estudios que utilizan ál ulos de Monte Carlo y semi-analíti os para reprodu ir y entender estas señales. Explotando la ara terísti a híbrida del Observatorio Pierre Auger he desa- rrollado un método para obtener la a eptan ia del dete tor de super(cid:28) ie a través de la utiliza ión de datos reales del dete tor de (cid:29)uores en ia, omo alternativa a los métodos tradi ionales que se basan en resultados obtenidos a través de simu- la iones numéri as, las uales dependen de los modelos de intera ión hadróni a adoptados. Las simula iones del pro eso de adquisi ión y re onstru ión de los eventos produ idos por los rayos ósmi os involu ran: la genera ión de la lluvia, la res- puesta de los instrumentos del observatorio, y la re onstru ión de los parámetros del evento. Disponer de una adena de simula ión y re onstru ión de los eventos es fundamental para entender y evaluar el omportamiento del Observatorio. Por ello implementé una simula ión ompleta del Observatorio, que ontempla los te- les opios de HEAT, las esta iones del nuevo arreglo AMIGA, y la propaga ión de Resumen v las partí ulas a través de la tierra hasta llegar a la profundidad de los ontadores de muones. Los estudios realizados on este programa de simula ión han ontri- buido on la etapa de investiga ión y desarrollo de los ontadores de muones de la extensión AMIGA, propor ionando informa ión para la determina ión del lugar óptimo para la instala ión de los nuevos arreglos de super(cid:28) ie, omo así también paradeterminaraqué profundidaddebenser enterrados los ontadores demuones. Finalmente he realizado un estudio para determinar los observables más rele- vantes para la dis rimina ión de la omposi ión del los rayos ósmi os, basados en té ni as del análisis estadísti o multivariado y del ámbito de la inteligen ia arti(cid:28) ial, hasta ahora no muy difundidos en el ampo de la astrofísi a. Con este análisis pude evaluar la importan ia de los observables aportados por los distintos tiposde dete tores, el de (cid:29)uores en ia, elde super(cid:28) ie y los ontadores de muones, a la hora de distinguir la omposi ión quími a del rayo ósmi o primario. Palabras Clave: Rayos Cósmi os, Dete tores de Fluores en ia, Dete tores de Muones, Composi ión Quími a, Calibra ión Absoluta.