Impact of the air-fluorescence yield on the energy scale of the Pierre Auger Observatory

Resumen

Más de 100 años después de su descubrimiento, existen todavía interrogantes abiertos sobre el origen y propagación de la radiación cósmica, especialmente en los llamados rayos cósmicos de ultra-alta energía (UHECRs por sus siglas en inglés). El escaso flujo de estas partículas hace necesaria la construcción de grandes instrumentos de detección como el Observatorio Pierre Auger. Este Observatorio emplea la técnica de fluorescencia, basada en la detección de la luz producida por las moléculas de nitrógeno de la atmósfera excitadas por la cascada de partículas generada por el rayo cósmico incidente. El rendimiento de fluorescencia atmosférica, Y, es un parámetro básico en esta técnica, puesto que mide el número de fotones producidos por unidad de energía depositada en la atmósfera. En los últimos años se han realizado nuevas medidas de este parámetro y sus diversas dependencias con la presión, temperatura y humedad.En esta tesis se ha realizado un estudio del efecto de Y en los parámetros reconstruidos de cascadas atmosféricas iniciadas por UHECRs. Para ello se han desarrollados dos métodos distintos: un método analítico que ofrece buenos resultados cuantitativos y cualitativos y un método más detallado que emplea el software de reconstrucción desarrollado por la colaboración Auger. En el primer caso se han analizado perfiles longitudinales típicos mientras que para el segundo se han empleado datos reales obtenidos por el Observatorio Auger.Aplicando ambos métodos se ha estudiado el efecto de incluir las dependencias de Y con la temperatura y la humedad, anteriormente ignoradas, en la reconstrucción de la energía del rayo cósmico y la profundidad de máximo desarrollo de la cascada, uno de los parámetros más importantes para determinar la composición másica de los UHECRs. Los dos procedimientos muestran que el efecto de dependencia con la humedad es más importante en cascadas que se desarrollan cerca del suelo, mientras que la dependencia con la temperatura afecta más a las que depositan la mayor parte de su energía en capas más elevadas de la atmósfera. El efecto neto de incluir ambas dependencias es un aumento de la energía reconstruida y una leve variación en la profundidad del máximo desarrollo de la cascada.Se ha estudiado también el efecto sobre la reconstrucción de los datos del Observatorio Pierre Auger al sustituir el valor absoluto del rendimiento de fluorescencia previamente utilizado por el valor medido recientemente por la colaboración AIRFLY. Este parámetro era hasta la fecha la principal fuente de incertidumbre en la escala de energía del observatorio. El estudio presentado en esta tesis, junto con otras mejoras realizadas por el grupo de trabajo de Reconstrucción Híbrida de la colaboración Auger, ha servido para actualizar la escala de energía del observatorio, así como reducir sustancialmente su error sistemático.Este nuevo valor de la escala de energía no resuelve las discrepancias existentes entre el espectro medido por el Observatorio Pierre Auger y el medido por el otro observatorio de UHECRs que opera en la actualidad, Telescope Array (TA). Estas discrepancias desaparecen al aplicar un factor de escala adecuado entre ambos espectros. En esta tesis se ha demostrado que las diferencias en los parámetros de fluorescencia usados en ambos experimentos dan cuenta de una fracción importante de la diferencia relativa en sus escalas de energía.