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Tesis

Detección combinada de muones y emisión de radio de cascadas atmosféricas extensas de rayos cósmicos

2018



TesistaEwa Marlen HOLT
Física - Universidad de Karlsruhe - Alemania
Dr. en Astrofísica - Instituto Sabato UNSAM/CNEA - Argentina
PhD in Astrophysics - Karlsruhe Institute of Technology (KIT) - Alemania
DirectoresDr. Johannes BLÜMER.  KIT - Alemania
Dr. Alberto ETCHEGOYEN.  CNEA, UNSAM, CONICET - Argentina
Lugar de realizaciónInstituto de Tecnología de la Universidad Nacional de Karlsruhe - Alemania
Gerencia Investigación y Aplicaciones - Centro Atómico Constituyentes - CNEA - Argentina
Fecha Defensa20/04/2018
JuradoProf. Dr. Guido DREXLIN.   KIT - Alemania
Prof. Dr. Ulrich HUSEMANN.   KIT - Alemania
Prof. Dr. Daniel DE FLORIAN.   UBA - UNSAM - Argentina
Dr. Matias TUEROS.   UNSAM - Argentina
CódigoIS/TD 119/18

Título completo

Detección combinada de muones y emisión de radio de cascadas atmosféricas extensas de rayos cósmicos

Resumen

Los rayos cósmicos han sido objeto de estudio desde su descubrimiento hace más de 100 años. Sin embargo, algunas cuestiones acerca del origen de los rayos cómicos de ultra alta energía permanecen abiertas hasta nuestros días. Para encontrar respuestas, es esencial medir la composición de masa con mucha precisión y con gran estadística. Los rayos cósmicos de ultra alta energía solamente pueden ser medidos indirectamente a través de las cascadas atmosféricas extensas generadas por ellos en la atmósfera terrestre. La relación entre la componente muónica y electromagnética de la cascada de partículas está correlacionada con la masa del rayo cósmico primario. Estas partículas secundarias pueden medirse con un arreglo de detectores extendido en la superficie terrestre. Además, la componente electromagnética puede medirse por la emisión de radio que inducen en la atmósfera.

En el Observatorio Pierre Auger, en Argentina, esta forma de detección híbrida se logra usando el detector de muones de AMIGA y el detector de radio AERA que han sido instalados como arreglos de ingeniería adicionales al Detector de Superficie y el Detector de Fluorescencia. AMIGA y AERA miden rayos cósmicos con energía superior a 1017.5 eV.

En esta tesis se desarrolla una técnica novedosa para estimar la masa del rayo cósmico primario que combina la medición de los muones y la emisión de radio. Este nuevo estimador de masa estudia usando simulaciones de Monte Carlo de cascadas atmosféricas y luego se verifica experimentalmente con datos de AMIGA y AERA. Los resultados principales son:

  • La razón de la densidad de muones, ρ600μ, determinada a una distancia de 600m del eje de la cascada, y el tamaño de la emisión de radio, medida por la raíz cuadrada de la energía de radiación, SρθRD, son efectivamente sensibles a la masa del rayo cósmico primario.
  • La composición de masa determinada por la combinación de las mediciones de AMIGA y AERA es compatible con la composición de masa determinada con las mediciones de la profundidad atmosférica del máximo de las cascadas, Xmáx, realizadas con los telescopios de fluorescencia de Auger.
Las simulaciones de cascadas atmosféricas realizadas han mostrado que el estimador de masa “muones+radio” puede tener más poder de separación entre partículas ligeras y pesadas que el obtenido con los métodos tradicionales que usan Xmáx para todos los ángulos cenitales y también con los métodos que usan las partículas secundarias para cascadas inclinadas (θ > 40°). Dado que las cascadas inclinadas pueden ser medidas con arreglos de antenas de radio de gran espaciamiento, la combinación de detectores de muones y de radio muestra mucho potencial en su utilización a gran escala. Una posibilidad puede ser instalar antenas de radio con cada detector Cherenkov en el Observatorio Pierre Auger

Complete Title

Combined Detection of Muons and Radio Emission of Cosmic-Ray Air Showers

Abstract

Cosmic rays have been a subject of study since their discovery more than 100 years ago. However, open questions remain about the origin of the ultra-high energy cosmic rays until today. To find answers, accurate measurements of the mass composition with large statistics are essential. Ultra-high energy cosmic rays can only be measured indirectly via extensive air showers they produce in the Earth’s atmosphere. The ratio of the muonic and the electromagnetic component of these showers is correlated to the mass of the primary cosmic rays. These shower particles can be measured with extended particle detectors at the ground. In addition, the electromagnetic component can be measured via its radio emission produced in the atmosphere. At the Pierre Auger Observatory in Argentina, this hybrid detection is realized by the Muon Detector of AMIGA and the Radio Detector AERA, which are installed as engineering arrays in addition to the main Surface Detector and the Fluorescence Detector, and measure cosmic rays above an energy of 1017.5 eV.

In this thesis, a novel technique is developed to estimate the mass of the primary cosmic rays by combining these muon and radio measurements. The new mass estimator is studied using Monte Carlo simulations of air showers and then tested experimentally based on data of AMIGA and AERA. The main results are:

  • The ratio of the muon density, ρ600μ, determined at a distance of 600m to the shower axis, and the strength of the radio emission, measured by the square root of the radiation energy, SρθRD, is indeed sensitive to the mass of the primary particle.
  • The mass composition derived from the combination of AMIGA and AERA measurements is compatible to composition measurements by the depth of the shower maximum Xmax of the Fluorescence Detector of Auger.
  • Air-shower simulations show that the muon-radio mass estimator can have higher separation power of light and heavy particles than established methods using Xmax for showers arriving from all zenith angles, and to methods using solely particle measurements for inclined showers above 40°. Since these inclined showers can be measured with sparse radio arrays, the combination of radio and muon detectors shows great potential for the application at a large scale, e.g. by equipping the Surface Detector stations of the Pierre Auger Observatory with radio antennas.

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