Composition and energy determination in cosmic ray surface arraysan application to the Pierre Auger Observatory

Resumen

Esta tesis se enmarca dentro del estudio de los rayos cósmicos de ultra-alta energía, aquellos a los que se dedica el Observatorio Pierre Auger. Tras una breve introducción, en el segundo capítulo se resumen los aspectos básicos de la física de rayos cósmicos, desde su espectro de energía, composición y su posible origen, hasta las cuestiones que aún permanecen desconocidas. En el siguiente capítulo se describen las características singulares del Observatorio Pierre Auger y se muestran los resultados publicados más importantes hasta este momento. En los capítulos siguientes se abordan los temas centrales de este trabajo: la determinación de la energía y la composición de los rayos cósmicos de ultra-alta energía a partir de su detección con detectores de superficie. Inicialmente se analiza la determinación de la energía. Se ha propuesto una nueva técnica, y se ha demostrado su aplicabilidad en los detectores de superficie. Además, se ha mostrado que es significativamente mejor que la que se ha utilizado hasta hoy por parte de todos los experimentos de este tipo. En segundo lugar, se ha propuesto un nuevo parámetro sensible a la composición del rayo cósmico primario, el cual se determina a partir de la señal y la posición de los detectores de superficie para cada evento. Se han estudiado sus propiedades y se ha demostrado que es capaz de determinar la composición promedio de los rayos cósmicos de ultra-alta energía con mayor precisión que los parámetros más fiables que se están utilizando hoy en día. A continuación, se han explicado varios trabajos que se están desarrollando y en los que se seguirá trabajando en un futuro cercano, relacionados con ambos aspectos, la determinación de la energía y la composición, y se han resumido las conclusiones del trabajo. Para terminar, se han añadido varios apéndices y una extensa bibliografía. This thesis studies how to determine the primary energy and the chemical composition of ultra-high energy cosmic rays in pure surface array experiments, and also, how to apply these techniques in the Pierre Auger Observatory. Chapter 1 is a brief introduction. In Chapter 2, the main aspects about cosmic ray physics regarding their energy, composition and origin are presented, as well as the questions that still remain open. Next, Chapter 3 gives a brief description of the Pierre Auger Observatory, focusing in the detection techniques used and the advantages of Auger. The main composition observables are presented and the results published by Auger in recent years are summarized and commented. In Chapter 4, a new technique to determine the primary energy is shown and applied to pure surface arrays. We demonstrate that the energy determination is more accurate by using this new technique compared to the traditional one that all the previous surface experiments have been used. Chapter 5 is devoted to a new parameter sensitive to the primary composition. We have demonstrated that the average mass inferred by using the new composition estimator is more accurate than that obtained with other parameters traditionally used by cosmic ray experiments. On-going work and perspectives are presented in Chapter 6 and the conclusions in Chapter 7. Finally several appendixes and an extensive bibliography are included.