Measurement of the muon atmospheric production depth with the water Cherenkov detectors of the Pierre Auger observatory

Resumen

RESUMEN Los rayos cósmicos de ultra alta energía (UHECR de sus siglas en inglés) son partículas de origen y composición incierta cuyas energías se encuentran por encima de 1 EeV (10^{18} eV o 0.16 J). Su flujo es una función fuertemente decreciente con la energía. Por encima de 1 J, esperamos medir una de dichas partículas por año, km^2 y esterreoradián. Esto hace impensable detectar de manera directa en las capas altas de la atmósfera estas partículas primarias de energías extremas, antes de que interaccionen y den lugar a cascadas de billones de partículas secundarias. En definitiva no tenemos información directa sobre la partícula primaria y por eso estamos obligados a construir enormes sistemas de detectores en el suelo si pretendemos estudiar la naturaleza de este tipo de radiación no térmica que continuamente bombardea la atmósfera terrestre. El hecho de que sólo podamos estudiar los productos de la interacción, conocidos habitualmente como Cascada Extensa de Partículas (EAS), añade dificultades extra a nuestra investigación para conocer qué son los UHECR, dónde se producen y qué mecanismos le confieren tan extraordinarias energías, las cuales somos incapaces de alcanzar con la tecnología actual de aceleradores de partículas. El campo de los UHECR no está exento de poseer un buen número de preguntas sin respuesta. Por tanto no es sorprendente que dicho campo fuera y siga siendo muy activo, en el cual grandes colaboraciones internacionales trabajan unidas para entender los misterios de estas manifestaciones extremas del Universo no térmico. El detector más grande y sensible hasta ahora construido para el estudio de los EAS es el Observatorio Pierre Auger. Cubre una superficie de 3000 km^2 y fue diseñado para revelar los secretos de los rayos cósmicos cargados mediante el uso de dos técnicas de detección: la medida de la luz de fluorescencia producida en la atmósfera y la detección de una parte de las partículas que llegan al suelo. Es por tanto un detector híbrido capaz de realizar calibraciones a partir de los datos experimentales recogidos. Esto reduce los sistemáticos asociados pues no dependen de complicadas simulaciones plagadas de grandes incertidumbres. Pierre Auger ha sido capaz de recoger el conjunto de datos más grande y de mejor calidad en la historia de los UHECR. Gracias a ello se está llevando a cabo un amplio programa de física que cubre los asuntos más relevantes del campo. Entre las líneas de investigación más interesantes se encuentra el estudio de la composición en masas de los rayos cósmicos. Actualmente las mejores inferencias en lo que a masas se refiere son las que se obtienen a través de las medidas hechas con el Detector de Fluorescencia. Este estudia el desarrollo longitudinal de la parte electromagnética de la cascada. Sin embargo el conjunto de datos recogidos no es muy grande, especialmente a las más altas energías que es la zona de mayor interés. Aunque de menor precisión, el conjunto de los datos del Detector de Superficie es casi un factor diez más grande que el conjunto de datos de fluorescencia. Por tanto nuevas formas de inferir las masas de los primarios se están desarrollando basándose en la información dada por los detectores de superficie. Esta tesis sigue una de esas nuevas líneas de investigación. Usando principalmente la información temporal de los muones detectados en el suelo, tratamos de construir observables físicos relacionados con la composición del primario que inició la cascada. Un modelo fenomenológico simple relaciona los tiempos de llegada con las profundidades atmosféricas a las que se producen los muones. La confirmación experimental de que las distribuciones de producción de muones (MPD) están correlacionadas con la masa de la partícula primaria fue hecha por primera vez en [1]. Este trabajo abrió nuevas líneas de estudio, siendo esta tesis una continuación de ese trabajo original con el objetivo de ver si podemos ampliar y mejorar el rango de aplicación de esta técnica. El presente documento se organiza como sigue: el capítulo 1 contiene una somera descripción de los hitos más importantes alcanzados en la historia de la Física de Rayos Cósmicos. El capítulo 2 explica qué es y de qué partes está compuesto el Observatorio Pierre Auger. Ya que esta tesis está basada en los datos registrados por el Detector de Superficie, en el capítulo 3 discutimos en profundidad cómo se reconstruyen los sucesos a partir de la información que proporcionan los detectores Cherenkov de agua (WCD). En el capítulo 4 revisamos el modelo fenomenológico que constituye la base de este trabajo e introducimos formas de mejorar algunos aspectos del mismo. Una revisión completa del análisis original aplicado a sucesos individuales se lleva a cabo en el capítulo 5 con el fin de evaluar cuáles son las diferentes fuentes que contribuyen al sesgo y la resolución en la medida de los máximos de las MPD reconstruidas. El capítulo 6 se centra en una forma alternativa de usar MPD: construimos MPD promedio para conjuntos de sucesos de energías similares con el fin de aumentar el rango de aplicabilidad de este tipo de análisis. Finalmente en el capítulo 7 presentamos posibles mejoras al análisis de las MPD mediante la mejora de la electrónica y/o la estructura interna de los WCD. Este documento se cierra con las conclusiones más importantes de los estudios realizados y unas indicaciones sobre posibles líneas de trabajo para el futuro. Referencias [1] The Pierre Auger Collaboration Muons in air showers at the Pierre Auger Observatory: measurement of atmospheric production depth Phys. Rev. D 90 (2014) 012012