Los detectores cherenkov del observatorio Pierre Auger y su aplicación al estudio de fondos de radiación
El Observatorio Pierre Auger es actualmente el mayor y más complejo detector de rayos cósmicos. Su principal objetivo es caracterizar las propiedades de los rayos cósmicos con energías E≥ 10¹⁸ eV. Su diseño es híbrido y consta de dos sistemas de detección: el detector de Fluorescencia (FD) y el arre...
Guardado en:
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| Publicado: |
2012
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Física de partículas Cosmic rays Rayos cósmicos [New cosmic rays experiments Nuevos experimentos de rayos cósmicos Pierre Auger observatory Observatorio Pierre Auger Heliophysics Heliofísica Space weather Climatología espacial] |
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Física de partículas Cosmic rays Rayos cósmicos [New cosmic rays experiments Nuevos experimentos de rayos cósmicos Pierre Auger observatory Observatorio Pierre Auger Heliophysics Heliofísica Space weather Climatología espacial] Asorey, Hernán G. Los detectores cherenkov del observatorio Pierre Auger y su aplicación al estudio de fondos de radiación |
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Física de partículas Cosmic rays Rayos cósmicos [New cosmic rays experiments Nuevos experimentos de rayos cósmicos Pierre Auger observatory Observatorio Pierre Auger Heliophysics Heliofísica Space weather Climatología espacial] |
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El Observatorio Pierre Auger es actualmente el mayor y más complejo detector de rayos cósmicos. Su principal objetivo es caracterizar las propiedades de los rayos cósmicos con energías E≥ 10¹⁸ eV. Su diseño es híbrido y consta de dos sistemas de detección: el detector de Fluorescencia (FD) y el arreglo de detectores de superficie (SD); los cuales estudian de formas complementarias la interacción de los rayos cósmicos con la atmósfera para poder determinar las propiedades de las partículas incidentes.
Esta tesis se basa en el análisis de distintos tipos de datos registrados por el detector de superficie. Los trabajos que desarrollamos pueden dividirse en tres grandes grupos de aplicaciones: el estudio del funcionamiento del arreglo SD y la optimización de la reconstrucción de eventos; el diseño de nuevos experimentos; y por último al estudio de fondos de radiación.
Estudiamos la variación temporal de las señales registradas en las estaciones de SD y desarrollamos un nuevo algoritmo utilizado actualmente para determinar el correcto tiempo de inicio de las señales. Utilizamos la distribución temporal de las partículas en el frente de la lluvia para corregir un efecto geométrico que introduce diferencias importantes en la reconstrucción angular de eventos de baja multiplicidad logrando una mejora global en la resolución angular de casi 1o para los eventos de bajas energías. Determinamos una nueva parametrización de la pendiente de una de las funciones de distribución lateral de la señal más utilizada en Auger, lo que introdujo mejoras notables en la reconstrucción de la energía de los eventos. Asimismo, este tipo de análisis fue desarrollado para optimizar los parámetros de un trigger de calidad que podría usarse a energías E≥10¹⁹‚⁶ eV, lo cual nos permitió además encontrar el único evento híbrido de más de 10²º eV.
Desarrollamos, mejoramos y optimizamos un método que permite determinar la probabilidad de disparo de un detector individual del arreglo SD como función de la señal esperada y encontramos que la saturación de la aceptancia al 99% de probabilidad se alcanza a una energía de (2,3±0,1)x10¹⁸ eV.
Dado que es posible adaptar y aplicar las técnicas desarrolladas en el Observatorio Auger para el diseño de extensiones y nuevos arreglos de superficie, hemos determinado que por ejemplo, la energía de saturación del arreglo Infill de AMIGA es (2,0±0,6)x10¹⁷ eV. También desarrollamos un método para calcular por primera vez su exposición y evaluamos el impacto de un nuevo sistema de comunicaciones entre los detectores. Encontramos que la exposición total integrada del Infill entre el 01/Ene/2008 y el 31/Ago/2011 es de 35,1km2 sr año para eventos con ángulo cenital hasta 60o. Este resultado fue utilizado para calcular el primer espectro de energía realizado con el arreglo Infill en la región 10¹⁷‚⁵< (E=eV) < 10¹⁸,⁵.
En esta tesis también desarrollamos la propuesta AugerMAX, destinada a aumentar la exposición a energías más altas a un costo relativamente bajo. Utilizando las herramientas desarrolladas para el arreglo SD, encontramos que la relocalización de sólo 337 estaciones, actualmente ubicadas en una región de 1000km2 en la zona noreste del arreglo SD, permite obtener un nuevo arreglo de superficie de 3000km2 con las estaciones dispuestas en una grilla triangular de 2400 m. Este nuevo arreglo alcanzaría el 99% de saturación de la aceptancia a energías de 3x10¹⁹ eV. Por su parte, determinamos también la aceptancia de los tres arreglos propuestos para el arreglo de Auger Norte, con una energía de saturación de (1,3±0,07)x10¹⁹ eV para el arreglo cuadrado de 1 milla de lado.
Por otra parte, a partir de la saturación de las señales, y extrapolando los posibles modelos de aceleración de las fuentes, estimamos la fracción esperable de eventos saturados en el arreglo SD, y lo utilizamos para determinar que el rango dinámico debería ser de al menos 21 bits (comparado con los 15 del arreglo SD) en futuras extensiones como el arreglo AugerMAX y los arreglos de Auger Norte.
Finalmente, en esta tesis utilizamos de forma novedosa los datos de los scalers y los histogramas de calibración del Observatorio Auger para el estudio de los fondos de radiación, implementando de esta forma los llamados modos de baja energía del Observatorio. En particular, encontramos efectos debidos a la modulación solar en el flujo de rayos cósmicos galácticos. Esto pudo comprobarse a partir de la correlación entre nuestras observaciones y las realizadas en la red global de monitores de neutrones y con los datos registrados a bordo de la sonda ACE. Con nuestros datos pudimos estudiar eventos
heliosféricos transitorios, como por ejemplo la observación de decrecimientos Forbush y fenómenos relacionados. Con el fin de caracterizar los modos de baja energía, realizamos simulaciones de lluvias atmosféricas extendidas del espectro de todos los rayos cósmicos en el rango 10 GeV≤ E ≤1 PeV. Nuestro trabajo permite extender las capacidades del Observatorio Auger más allá de su diseño original. Con la liberación de los datos de baja energía, logramos incorporar al Observatorio en la red global de detectores de radiación dedicados al estudio de la climatología espacial.
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I25-R131-10972022-09-09T14:16:50Z Los detectores cherenkov del observatorio Pierre Auger y su aplicación al estudio de fondos de radiación The cherenkov detectors of the Pierre Auger observatory and their application to the study of radiation backgrounds Asorey, Hernán G. Física de partículas Cosmic rays Rayos cósmicos [New cosmic rays experiments Nuevos experimentos de rayos cósmicos Pierre Auger observatory Observatorio Pierre Auger Heliophysics Heliofísica Space weather Climatología espacial] El Observatorio Pierre Auger es actualmente el mayor y más complejo detector de rayos cósmicos. Su principal objetivo es caracterizar las propiedades de los rayos cósmicos con energías E≥ 10¹⁸ eV. Su diseño es híbrido y consta de dos sistemas de detección: el detector de Fluorescencia (FD) y el arreglo de detectores de superficie (SD); los cuales estudian de formas complementarias la interacción de los rayos cósmicos con la atmósfera para poder determinar las propiedades de las partículas incidentes. Esta tesis se basa en el análisis de distintos tipos de datos registrados por el detector de superficie. Los trabajos que desarrollamos pueden dividirse en tres grandes grupos de aplicaciones: el estudio del funcionamiento del arreglo SD y la optimización de la reconstrucción de eventos; el diseño de nuevos experimentos; y por último al estudio de fondos de radiación. Estudiamos la variación temporal de las señales registradas en las estaciones de SD y desarrollamos un nuevo algoritmo utilizado actualmente para determinar el correcto tiempo de inicio de las señales. Utilizamos la distribución temporal de las partículas en el frente de la lluvia para corregir un efecto geométrico que introduce diferencias importantes en la reconstrucción angular de eventos de baja multiplicidad logrando una mejora global en la resolución angular de casi 1o para los eventos de bajas energías. Determinamos una nueva parametrización de la pendiente de una de las funciones de distribución lateral de la señal más utilizada en Auger, lo que introdujo mejoras notables en la reconstrucción de la energía de los eventos. Asimismo, este tipo de análisis fue desarrollado para optimizar los parámetros de un trigger de calidad que podría usarse a energías E≥10¹⁹‚⁶ eV, lo cual nos permitió además encontrar el único evento híbrido de más de 10²º eV. Desarrollamos, mejoramos y optimizamos un método que permite determinar la probabilidad de disparo de un detector individual del arreglo SD como función de la señal esperada y encontramos que la saturación de la aceptancia al 99% de probabilidad se alcanza a una energía de (2,3±0,1)x10¹⁸ eV. Dado que es posible adaptar y aplicar las técnicas desarrolladas en el Observatorio Auger para el diseño de extensiones y nuevos arreglos de superficie, hemos determinado que por ejemplo, la energía de saturación del arreglo Infill de AMIGA es (2,0±0,6)x10¹⁷ eV. También desarrollamos un método para calcular por primera vez su exposición y evaluamos el impacto de un nuevo sistema de comunicaciones entre los detectores. Encontramos que la exposición total integrada del Infill entre el 01/Ene/2008 y el 31/Ago/2011 es de 35,1km2 sr año para eventos con ángulo cenital hasta 60o. Este resultado fue utilizado para calcular el primer espectro de energía realizado con el arreglo Infill en la región 10¹⁷‚⁵< (E=eV) < 10¹⁸,⁵. En esta tesis también desarrollamos la propuesta AugerMAX, destinada a aumentar la exposición a energías más altas a un costo relativamente bajo. Utilizando las herramientas desarrolladas para el arreglo SD, encontramos que la relocalización de sólo 337 estaciones, actualmente ubicadas en una región de 1000km2 en la zona noreste del arreglo SD, permite obtener un nuevo arreglo de superficie de 3000km2 con las estaciones dispuestas en una grilla triangular de 2400 m. Este nuevo arreglo alcanzaría el 99% de saturación de la aceptancia a energías de 3x10¹⁹ eV. Por su parte, determinamos también la aceptancia de los tres arreglos propuestos para el arreglo de Auger Norte, con una energía de saturación de (1,3±0,07)x10¹⁹ eV para el arreglo cuadrado de 1 milla de lado. Por otra parte, a partir de la saturación de las señales, y extrapolando los posibles modelos de aceleración de las fuentes, estimamos la fracción esperable de eventos saturados en el arreglo SD, y lo utilizamos para determinar que el rango dinámico debería ser de al menos 21 bits (comparado con los 15 del arreglo SD) en futuras extensiones como el arreglo AugerMAX y los arreglos de Auger Norte. Finalmente, en esta tesis utilizamos de forma novedosa los datos de los scalers y los histogramas de calibración del Observatorio Auger para el estudio de los fondos de radiación, implementando de esta forma los llamados modos de baja energía del Observatorio. En particular, encontramos efectos debidos a la modulación solar en el flujo de rayos cósmicos galácticos. Esto pudo comprobarse a partir de la correlación entre nuestras observaciones y las realizadas en la red global de monitores de neutrones y con los datos registrados a bordo de la sonda ACE. Con nuestros datos pudimos estudiar eventos heliosféricos transitorios, como por ejemplo la observación de decrecimientos Forbush y fenómenos relacionados. Con el fin de caracterizar los modos de baja energía, realizamos simulaciones de lluvias atmosféricas extendidas del espectro de todos los rayos cósmicos en el rango 10 GeV≤ E ≤1 PeV. Nuestro trabajo permite extender las capacidades del Observatorio Auger más allá de su diseño original. Con la liberación de los datos de baja energía, logramos incorporar al Observatorio en la red global de detectores de radiación dedicados al estudio de la climatología espacial. The Pierre Auger Observatory is currently the largest and more complex cosmic ray detector. Its main goal is to characterize the properties of cosmic rays with energy above E≥ 10¹⁸eV. Its novel, hybrid design combines different techniques in two detection systems, the Fluorescence Detector (FD) and the Surface Detector (SD), to study the cosmic ray interactions with the atmosphere in complementary ways to determine the properties of the incident particles. This thesis is based on the analysis of different data collected by the surface detector. This work can be grouped in three different categories according to its applications: the operation and performance of SD and the optimization of the event reconstruction chain, the design of new experiments; and the study of atmospheric radiation backgrounds. By studying the temporal variations of the signals of the SD array we develop a new algorithm (currently in use) to determine the correct signal start times. We also use the temporal distribution of particles in the shower front to correct a geometrical effect that could introduce large angular biases during the geometrical reconstruction of the lower multiplicity events, achieving a global improvement in the angular resolution of almost 1o for low energy events. We also obtain a new parameterization of the slope of one of the most used lateral distribution functions. In addition, this kind of analyses were developed to optimize the parameters of a new quality trigger oriented to events of energy E≥10¹⁹‚⁶ eV. During these analyses we also found the only hybrid event with E > 10²º eV. We also develop, improve and optimize a method that allows us to determine the single trigger probability for the detectors of the SD array as a function of its expected signal, and we find that the saturation of the acceptance of the array, at the 99% level, is reached at (2,0±0,6)x10¹⁷ eV Since it is possible to adapt and apply these techniques for the design of extensions for the Observatory and new surface detectors arrays, we find the saturation energy of the AMIGA Infill array is (2,0±0,6)x10¹⁷ eV. We also develop a method to determine for the first time the Infill exposure and evaluate a new communications system tested in this array. We find that the integrated exposure from 01/Jan/2008 up to 31/Aug/2011 is 35,1km2 sr year for events with zenith angle up to 60o. This result was used to determine the first energy spectrum of the Infill, in the energy range 10¹⁷‚⁵< (E=eV) < 10¹⁸,⁵. In this thesis we also develop the AugerMAX proposal, oriented to increase the detector exposure in the highest energy region at a relatively low cost. By using the tools and techniques developed for the SD array, we found that the relocation of only 337 surface detectors currently located on a 1000km2 area in the northeast region of the SD array could be used to produce a new 3000km2 surface array with all the stations located on a triangular grid of 2400 m. This new array would reach the 99% of acceptance saturation level at 3x10¹⁹ eV. At the same time we determine the acceptance curve for the three proposed arrays for the Auger North Observatory. We obtain, for example, that the 1-square-mile array saturates at (1,3±0,07)x10¹⁹ eV. Furthermore, by studying the saturation of the stations signals, and by extrapolating different acceleration models of cosmic rays at sources, we estimate the expected fraction of saturated events in the SD array, and we use that value to determine that the dynamic range for the new detectors of AugerMAX and Auger North should be greater than 21 bits. Finally, in this thesis we use the scaler data and the calibration histograms in a novel way to study the atmospheric radiation background, by implementing the so called Low Energy Modes of the Observatory. In particular, we find in our data clear evidences of solar modulation of the galactic cosmic rays flux, since our data show a strong correlation with observations made in the global network of neutron monitors and in the data collected on board of the ACE spacecraft. Our data allow us the study of transient heliospheric events, such as Forbush decreases and related phenomena. To characterize the low energy modes, we perform extensive air shower simulations of the full cosmic rays spectrum in the energy range 10 GeV≤ E ≤1 PeV. Our work allows to expand the capabilities of the Auger Observatory beyond its original design. The release of this low energy data allow us to incorporate the Pierre Auger Observatory to the global network of radiation detectors dedicated to the study of space weather phenomena. 2012 Tesis NonPeerReviewed application/pdf http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/1097/1/1Asorey.pdf es Asorey, Hernán G. (2012) Los detectores cherenkov del observatorio Pierre Auger y su aplicación al estudio de fondos de radiación / The cherenkov detectors of the Pierre Auger observatory and their application to the study of radiation backgrounds. Tesis Doctoral en Física, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro. http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/1097/ |