Heavy quark simulation and identification at the pierre auger observatory

Resumen

When cosmic rays (charged nuclei, photons and neutrinos of extraterrestrial origin), reach the Earth they collide with atmospheric nuclei, producing new particles. The secondaries of this interaction undergo the same process, eventually producing millions of particles that propagate through the atmosphere and reach the Earth surface. This process is known as an Extensive Air Shower (EAS). This Ph.D thesis focuses on the production and possible detection of heavy quarks in Extensive Air Showers using the Fluorescence Detector of the Pierre Auger Observatory. Charm and bottom quark production is ubiquitous in accelerators. Since cosmic rays interactions grant access to an energy range well above that achieved at man-made accelerators, we expect those quarks to be produced copiously in cosmic ray interactions as well. The production and propagation of heavy quarks are usually neglected in Monte-Carlo shower simulators because low energy heavy hadrons have a negligible influence in the shower development. However, there are models, such as the Intrinsic Quark model, that predict the production of heavy hadrons with large fractions of the primary energy. With such large energies, the heavy hadrons produced are able to interact with air nuclei and propagate in the atmosphere, modifying the the way the shower develops. Part of this thesis revolved around the study of these interactions of heavy hadrons with air nuclei in the atmosphere, using a dedicated interaction model, and the implementation of these processes in the Monte-Carlo simulator CORSIKA. We used an large library of simulated showers generated with our modified version of CORSIKA to identify the most significant features of Extensive Air Showers where highly energetic heavy hadrons are produced. We combined the identified features through a multivariate discriminant, namely a Boosted Decision Tree, which maximizes the separation between showers with heavy hadrons and those without them. The discriminant yields a selection efficiency that can be used to predict the expected number of event where heavy hadrons are produced. Comparing this number with the actual number of showers detected by the Pierre Auger Observatory that fulfill our selection criteria, we can derive an upper limit to the heavy quark production cross-section in the Intrinsic Quark model. --------------------------------------- Cuando los rayos cósmicos (núcleos cargados, fotones y neutrinos) llegan a la tierra, colisionan con núcleos de átomos en la atmósfera, generando nuevas partículas. Los productos de esta interacción sufren el mismo proceso, dando finalmente lugar a millones de partículas que se propagan por la atmósfera y llegan a la superficie de la tierra. Este proceso se conoce como Cascada de Rayos Cósmicos (o \textit{Extensive Air Shower}, EAS, en inglés). Esta tesis doctoral se centra en la producción y la posible detección de quarks pesados en EAS, usando el Detector de Fluorescencia del Observatorio Pierre Auger. Los producción de quarks charm y bottom es más que frecuente en los aceleradores de partículas. Puesto que las interacciones de rayos cósmicos tienen lugar a una energía mucho mayor que la de los aceleradores, esperamos que esos quarks se produzcan copiosamente en estas interacciones. La producción y propagación de quarks pesados es normalmente obviada en los generadores de cascadas Monte-Carlo, puesto que los hadrones pesados de poca energía tienen poca influencia en el desarrollo de la cascada. Existen modelos que sin embargo predicen la producción de hadrones pesados con fracciones elevadas de energía de la partícula que inicia la cascada. Unos de éstos es el modelo de Quark Intrínseco. En este caso, los hadrones pesados formados son capaces de interactuar con los núcleos de aire y propagarse por la atmósfera, modificando la forma en la que la cascada se desarrolla. Parte de esta tesis se ha dedicado al estudio de estas interacciones de los hadrones pesados, empleando un modelo de interacción específico, y a la implementación de estos procesos en el generador Monte-Carlo CORSIKA. Con la versión modificada de CORSIKA hemos generado una amplia librería de cascadas simuladas, que hemos usado para identificar las características más importantes de las EAS en las que se han producido hadrones pesados. Estas características se han combinado usando un discriminante multivariable, en particular un \'Arbol de Decisión, intentando maximizar la separación entre cascadas con producción de quarks pesados y aquellas en las que no se producen. El resultado último del discrimante es una eficiencia de selección que usamos para predecir el número esperado de eventos en los que se producen hadrones pesados. Comparando este número con el de cascadas detectadas por el Observatorio que cumplen nuestros criterios de selección podemos establecer un límite superior a la sección eficaz de producción de quarks pesados en el modelo de Quark Intrínseco.