Tesis

Los rayos cósmicos impactan la atmósfera terrestre con un flujo constante que cubre varios órdenes de magnitud en energía. Su flujo decrece con el aumento de la energía de la partícula primaria siguiendo una ley de potencia. Los rayos cósmicos de las más altas energías son de especial interés pues nos permiten incrementar el conocimiento que tenemos del universo.

Las características principales del espectro de energía son la rodilla, la segunda rodilla, el tobillo y la supresión del espectro, todas ellas relevantes desde el punto de vista científico y todas ellas también relacionadas con la composición de masa de la partícula primaria.  Consecuentemente, el Observatorio Pierre Auger está actualizando su sistema de detección para poder extender su espectro en energía de interés hasta la energía de la segunda rodilla y mejorando sus capacidades para poder identificar la composición en masa de la partícula primaria hasta las energías más altas del espectro. En particular, una de esas actualización es la inclusión del detector de AMIGA ("\textit{Auger Muons and Infill for the Ground Array}"), que resulta ser el detector en el que se centra este trabajo doctoral.  AMIGA centra su detección en la medición directa del contenido muónico de la cascada atmosférica del rayo cósmico primario ($\rm{N_{\mu}}$) y su desarrollo temporal en la atmósfera ($\rm{X_{max}^{\mu}}$) midiendo directamente el arribo temporal de los muones. Sus objetivos son, entre otros, medir observables representativos de la composición (o los evaluar los modelos hadrónicos) combinado con otros detectores del Observatorio, estudiando la transición de fuentes galácticas a extragalácticas.  Estos objetivos acompañan los objetivos generales del Observatorio P. Auger, así como enriquecen el estudio de rayos cósmicos, permitiendo estudiar todo el espectro de energía desde la segunda rodilla en adelante en un único Observatorio.

 Differentes tipos de esfuerzos se han invertido en obtener un detector que pueda medir la componente muónica con una resolución elevada como pudo lograrse con AMIGA. Dos trabajos diferentes han sido desarrollados durante esta tesis.  El primero está relacionado con la actualización del sistema opto-electrónico del detector de AMIGA.  El segundo se relaciona con la incorporación de la medición directa de la componente muónica de la lluvia producida por un rayo cósmico, en la reconstrucción de universalidad. Tras la conclusión de este trabajo se instaló el nuevo sistema de opto-electrónico completamente operativo y calibrado en 8 módulos de AMIGA en el sitio del Observatorio Pierre Auger.

La actualización del detector consiste en un sistema de detección basado en SiPMs.  Las principales motivaciones para esta actualización son las ventajas que estos dispositivos tienen en comparación con los MaPMT actuales: menor costo por canal, mayor vida útil, mejor robustez, menor voltaje de alta tensión de alimentación, mayor eficiencia de detección de fotones en la longitud de onda de emisión de fibra óptica, no hay interferencia óptica entre canales e insignificante presencia de señales posteriores a los pulsos.  Las principales desventajas de los SiPM son su mayor tasa de ruido y su dependencia de la temperatura. Este ruido más alto fue utilizado como una ventaja para ajustar el método de calibración, y el PDE alto ayudó a modificar el nivel de discriminación de la señal del detector a valores más altos para evitar conteo accidental. Por lo tanto, la estrategia de conteo propuesta se basa en un criterio de discriminación por amplitud.  Como resultado de la calibración desarrollada en este trabajo, se logró una alta eficiencia del detector, es decir, 98 $\%$ de eficiencia para la máxima polarización probada, combinada con una baja probabilidad de conteo accidental ($\sim2 \%$). También se desarrolló un nuevo modelo para incluir las señales detectoras AMIGA en el modelo de señales de la reconstrucción con universalidad.  El método de la universalidad propone una técnica novedosa basada en la forma universal que puede describir la lluvia de partículas producida por una partícula primaria de rayos cósmicos.  La medición directa del contenido muónico de la lluvia, al incluir las señales AMIGA en el procedimiento de reconstrucción de la universalidad, reducirá significativamente las incertidumbres sistemáticas en la estimación de los parámetros principales que describen al rayo cósmico ($E$, $X_{\text{max}}$, y $R_{\mu}$).  Por lo tanto, el conocimiento de estos tres parámetros desde una detección híbrida seguida por la reconstrucción dentro del modelo de universalidad permitirá una identificación significativamente mejorada tanto del modelo hadrónico como de la composición en masa de partículas primarias. En esta identificación se encuentran los objetivos científicos propuestos del Proyecto Pierre Auger. La fuerza del modelo de señales de AMIGA de universalidad propuesto es que no depende ni de la partícula primaria de la lluvia ni del modelo hadrónico. Durante este trabajo, el modelo de señal para los detectores de muones de AMIGA es descrito y luego probado con diferentes modelos hadrónicos y primarios, mostrando una predicción precisa de los parámetros (menos de 10\% de sesgo en $R_{\mu}$ y $E$). Además, se reconstruyó un evento real de alta energía con el procedimiento de reconstrucción estándar y luego se comparó con los resultados obtenidos con la universalidad.  Los resultados en energía y composición de masa obtenidos con la reconstrucción de la universalidad son compatibles con los resultados obtenidos con el detector FD para este evento.