La presente tesis tiene como objetivo principal cuantificar las diferencias entre los diversos modelos de producción de neutrinos en NAGs, debidas a los parámetros que describen este flujo y determinar si el telescopio de neutrinos IceCube va a tener la sensibilidad necesaria para extraer información relevante sobre dichos parámetros, información que está contenida en el número total de eventos detectados inducidos por neutrinos muónicos. De esta forma se establecerán los casos (conjunto de parámetros) para los cuales estas diferencias sean estadísticamente relevantes y permitan distinguir y discriminar entre los modelos de los parámetros. / Tesis

La presente tesis tiene como objetivo principal cuantificar las diferencias entre los diversos modelos de producción de neutrinos en NAGs, debidas a los parámetros que describen este flujo y determinar si el telescopio de neutrinos IceCube va a tener la sensibilidad necesaria para extraer información relevante sobre dichos parámetros, información que está contenida en el número total de eventos detectados inducidos por neutrinos muónicos. De esta forma se establecerán los casos (conjunto de parámetros) para los cuales estas diferencias sean estadísticamente relevantes y permitan distinguir y discriminar entre los modelos de los parámetros.

This work is motivated by the physical processes which take place in active galactic nuclei (AGN). They are powerful sources of radiation in a wide wavelength. To gain knowledge about these processes, multiwavelength spectral energy distributions (SED) are used. The current work uses three types of distributions applied to two blazars, a variety of AGN objects. The SED of blazars typically has a double-hump structure which can be explained in terms of two models: the hadronic and the leptonic model. A model built only by leptonic processes (in this case, inverse Compton and synchrotron) has proved to be fairly-good to explain the gamma-ray emission from most blazars. The Python package Naima restricts model parameters to find the best fit for the observed data and characterize the source by proposing processes that could take place there. The SEDs of the Mrk 421 and PKS 0537-441 blazars were modelled. The best fits obtained follows an electron differential distribution of the form of an exponential cutoff power law. They have a reduced c2 of 1.92 and 2.58, respectively. For the fitted model for the blazar PKS 0537-441, the radiation of the flux of photons product of the synchrotron process produces the major contribution on the inverse Compton flux. / Este trabajo nace del interés en los procesos que tienen lugar en los núcleos activos de galaxia (AGN). Los AGN son fuentes poderosas de radiación en un amplio espectro de frecuencias. A fin de obtener información sobre estos procesos, la distribución espectral de energía (SED) para múltiples frecuencias es utilizada. El presente trabajo usa tres tipos de distribuciones aplicadas a dos blazars, un tipo de núcleos de galaxia activos. La SED de los blazars típicamente tiene una estructura de dos montículos que puede ser explicada en términos de dos modelos: hadrónico y leptónico. Un modelo puramente compuesto de procesos leptónicos (en este caso Compton inverso y sincrotrón) ha probado ser adecuado para explicar la radiación emitida por los blazars. Naima, un paquete de Python, restringe los parámetros de los modelos para hallar el mejor ajuste para los datos observados y, de ese modo, caracterizar la fuente al proponer procesos que puedan tener lugar en ella. Los SED de los blazars Mrk 421 y PKS 0537-441 son modelados. Los mejores ajustes obtenidos siguen una distribución diferencial de electrones de la forma de un exponential cutoff power law y tienen c2 reducidos de 1.92 y 2.58 respectivamente. En el caso del modelo ajustado para el blazar PKS 0537-441, la radiación del flujo de fotones producto del proceso sincrotrón produce la mayor contribución en el origen del flujo del proceso de Compton inverso.

Este trabalho tem como objetivo investigar a implementação de uma sequência de ensino e aprendizagem sobre tópicos de Astrofísica de Partículas para o Ensino Médio. Buscou-se determinar o ponto de impacto e a direção de chegada de um raio cósmico primário ao solo, utilizando dados do Observatório Pierre Auger. A fim de identificar elementos relevantes dessa sequência, analisamos a maneira como os estudantes interagiram e realizamos refinamentos progressivos a fim de aperfeiçoá-la. No refinamento da sequência de ensino, a análise dos dados obtidos desempenhou um importante papel, já que indicou os caminhos a serem tomados para que a atividade desenvolvida fizesse parte do repertório de conhecimentos do aluno. Esperou-se que esse conhecimento, longe de ser mecânico e passageiro, fosse significativo ao aluno no sentido de que os conteúdos tratados se entrelaçassem a conhecimentos prévios e se transformassem em conhecimento mais estáveis e ricos em significados. Por este viés, a Teoria da Aprendizagem Significativa de Ausubel norteou a escolha do método de avaliação e interpretação dos dados coletados neste estudo. Assim, de acordo com o referencial teórico adotado, os mapas conceituais apresentaram-se como forma de análise e serviram de avaliação do conhecimento obtido pelos estudantes e, por conseguinte, da sequência didática proposta. Conforme indicou a análise dos mapas conceituais, a maior parte das informações relacionadas com a dinâmica de determinação do ponto de impacto e da direção de chegada de um raio cósmico primário começou a ter significado na estrutura de conhecimentos dos alunos. Assim, o conteúdo raios cósmicos mostrou-se possível de ser ensinado na sala de aula do Ensino Médio. / This paper aims at investigating the implementation of a teaching and learning sequence for particle Astrophysics topics in High School. Our aim is to determine the impact point and direction of a primary cosmic ray to the ground, using the Pierre Auger Observatory data. To identify the relevant elements of this sequence, we analyzed the way in which students interacted and then implemented progressive refinements to improve it. The data analysis played an important role in refining the teaching sequence, enabling the results to form part of the students\' knowledge. It is hoped the knowledge gained has been significant for the students and when added to previous knowledge has helped them develop a more stable and rich understanding of the subject. Ausubel\'s theory guided the choice of the evaluation method and interpretation of data collected in this study. According to the theoretical approach, the conceptual maps were presented as a way of analyzing and evaluate the knowledge gained by students and therefore the proposed didactic sequence. As indicated by analysis of the conceptual maps, most of the information related to the dynamics of determination of the impact point and the direction of arrival of a primary cosmic ray began to have meaning in students\' knowledge structure. Along these lines, the content cosmic rays proved possible to be taught in the high school classroom.

Este trabalho tem como objetivo investigar a implementação de uma sequência de ensino e aprendizagem sobre tópicos de Astrofísica de Partículas para o Ensino Médio. Buscou-se determinar o ponto de impacto e a direção de chegada de um raio cósmico primário ao solo, utilizando dados do Observatório Pierre Auger. A fim de identificar elementos relevantes dessa sequência, analisamos a maneira como os estudantes interagiram e realizamos refinamentos progressivos a fim de aperfeiçoá-la. No refinamento da sequência de ensino, a análise dos dados obtidos desempenhou um importante papel, já que indicou os caminhos a serem tomados para que a atividade desenvolvida fizesse parte do repertório de conhecimentos do aluno. Esperou-se que esse conhecimento, longe de ser mecânico e passageiro, fosse significativo ao aluno no sentido de que os conteúdos tratados se entrelaçassem a conhecimentos prévios e se transformassem em conhecimento mais estáveis e ricos em significados. Por este viés, a Teoria da Aprendizagem Significativa de Ausubel norteou a escolha do método de avaliação e interpretação dos dados coletados neste estudo. Assim, de acordo com o referencial teórico adotado, os mapas conceituais apresentaram-se como forma de análise e serviram de avaliação do conhecimento obtido pelos estudantes e, por conseguinte, da sequência didática proposta. Conforme indicou a análise dos mapas conceituais, a maior parte das informações relacionadas com a dinâmica de determinação do ponto de impacto e da direção de chegada de um raio cósmico primário começou a ter significado na estrutura de conhecimentos dos alunos. Assim, o conteúdo raios cósmicos mostrou-se possível de ser ensinado na sala de aula do Ensino Médio. / This paper aims at investigating the implementation of a teaching and learning sequence for particle Astrophysics topics in High School. Our aim is to determine the impact point and direction of a primary cosmic ray to the ground, using the Pierre Auger Observatory data. To identify the relevant elements of this sequence, we analyzed the way in which students interacted and then implemented progressive refinements to improve it. The data analysis played an important role in refining the teaching sequence, enabling the results to form part of the students\' knowledge. It is hoped the knowledge gained has been significant for the students and when added to previous knowledge has helped them develop a more stable and rich understanding of the subject. Ausubel\'s theory guided the choice of the evaluation method and interpretation of data collected in this study. According to the theoretical approach, the conceptual maps were presented as a way of analyzing and evaluate the knowledge gained by students and therefore the proposed didactic sequence. As indicated by analysis of the conceptual maps, most of the information related to the dynamics of determination of the impact point and the direction of arrival of a primary cosmic ray began to have meaning in students\' knowledge structure. Along these lines, the content cosmic rays proved possible to be taught in the high school classroom.

A determinação da massa de raios cósmicos ultra energéticos é uma questão em aberto devido a flutuação natural da primeira interação e o desconhecimentos da seção de choque para altas energias (E > 1017 eV). Alguns estudos (1) mostraram que modificações sistemáticas das propriedades em interações hadrônicas interfere significativamente no desenvolvimento de chuveiros atmosféricos extensos e, consequentemente, provêm diferentes interpretações para os resultados de raios cósmicos. No limite de altas energias, pode ocorrer a saturação de glúons na superfície nuclear, o que resulta no aumento da seção de choque próton-próton e próton-núcleo em relação ao modelo de Glauber. A seção de choque cresce com a energia e está relacionada com a função de distribuição de probabilidade de encontrar um centro espalhado que é maior no modelo de saturação de glúons. Neste trabalho analisamos a seção de choque próton-ar e núcleo-ar para energias acima de 1018 eV usando a hipótese da saturação de glúons (2). Implementamos a saturação de glúons no modelos de interações hadrônicas de altas energia SIBYLL e estudamos o desenvolvimento do chuveiro atmosférico extenso usando o programa CORSIKA. Comparamos os resultados com a taxa de elongação medida pelo Observatório Pierre Auger. Concluímos mostrando o efeito da saturação de glúons na interpretação na composição da massa de raios cósmicos ultra energéticos. / The determination of the composition of ultra high energy cosmic rays is an open question due to natural fluctuations of the first interaction point and unknow high energy cross sections. Some studies (1) have shown that systematic modifications in the hadronics interaction properties infer significantly in the development of extensive air showers and, consequently, provides different interpretations of cosmic ray results. In high energy limit (E > 1018eV), gluon saturation may occur in the nuclear surface region, so that the cross section proton-proton and proton-nucleus increase more rapidly with incident energy than Glauber theory. The cross section rise with energy is related to the probability distribution function of scattering centers which is larger for gluon saturation models. In this work we analyze the cross section proton-proton and proton-nucleus at energies above 1018 eV using the gluon saturation hypothesis (2). We implemented the gluon saturation physics in the SIBYLL hadronic interaction model and we studied the development of the air shower using the CORSIKA program. Different extrapolation models of high energy interaction with gluon interaction have been implemented in SIBYLL. We compared the simulation results using gluon saturation with the measured elongation rate published by the Pierre Auger Collaborations. We conclude by showing the effect of gluon saturation in the interpretation of cosmic ray by composition.

This work presents the measurement of the deuterium flux, and the deuterium-to-hydrogen flux ratio from 0.6 to 10 GeV/n, using data collected between May 2011 and May 2015 by the Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02), a cosmic ray detector operating aboard the International Space Station (ISS) since May 2011. The isotope separation is performed by combining the measurements performed by the AMS-02 sub-detectors. In particular, the mass measurement is carried out by taking advantage of the precise momentum measurement provided by the silicon tracker and by the velocity measurement provided by the Cherenkov detector. The event counting method is performed using reference spectra of simulated signal and background events, where the agreement between data and Monte Carlo has been carefully checked and eventual differences have been mitigate by means of corrections based on the comparison between the resolution of the velocity and momentum as obtained from data and simulated vents. Production mechanisms, acceleration and propagation of cosmic rays are not completely clear, therefore precise measurements of the flux and composition of these particles may help to understand these phenomena. In the conventional model, supernova remnants are the sources of cosmic rays in the GeV to TeV energy range. The so called primaries, such as 1H, 4He, e- and C are believed to be produced and accelerated at the sources, while secondaries, such as e+, 2H, 3He and B originate from the collisions of primary cosmic rays with the interstellar medium. Hence, secondaries carry information about the propagation of cosmic rays in the galaxy, and, the measurement of their flux is used to constrain the parameters of cosmic ray propagation models; in particular, studying secondary-to-primary ratios is useful as it factors out the unknown source spectrum of the progenitor. One of such commonly studied ratios is the B/C ratio, but other ratios, such as 2H/1H and 3He/4He, can be used to probe a different A/Z regime and test the universality of the propagation mechanisms. / Este trabalho apresenta a medida do fluxo de deutério e da razão deutério sobre hidrogênio nos raios cósmicos, de 0.6 até 10 GeV/n, utilizando dados coletados entre maio de 2011 e maio de 2015 pelo Espectrômetro Magnético Alfa (AMS-02), um detecto de raios cósmicos instalado na Estação Espacial Internacional desde maio de 2011. A separação dos isótopos é feita através da combinação de medidas feitas pelos subdetectores do AMS-02. Em particular, a medida da massa é feita utilizando as medidas do momento fornecidas pelo tracker de silício e a velocidade medida pelo detector Cherenkov. A contagem de eventos é feita através da utilização de espectros de referência obtidos a partir de simulações de eventos de sinal e fundo, os quais foram utilizados para checar a concordância entre dados e simulações de Monte Carlo, corrigindo eventuais diferenças através de correções baseadas em comparações das resoluções de velocidade e momento obtidas nos dados e em simulações. Mecanismos de produção, aceleração e propagação dos raios cósmicos partículas não são completamente claros, portanto medidas precisas dos fluxos e composição dessas partículas podem auxiliar na compreensão desses fenômenos. Remanescentes de supernovas são as fontes de raios cósmicos com energias entre GeV e TeV. Acredita-se que os chamados raios cósmicos primários, tais como 1H, 4He, e- e C são produzidos e acelerados nas fontes, enquanto os secundários, tais como e+, 2H, 3He e B, têm origem na colisão dos raios cósmicos primários com o meio interestelar. Portanto, os secundários carregam informação sobre a propagação dos raios cósmicos na galáxia, sendo as medidas dos seus fluxos utilizada para restringir os parâmetros de modelos de propagação de raios cósmicos; em particular, estudar a razão entre secundários e primários é útil pois remove o desconhecido espectro da fonte da espécie progenitora. Uma das razões comumente utilizadas é B/C, mas outras, tais como 2H/1H e 3He/4He podem ser utilizadas para estudar outro regime de A/Z e testar a universalidade dos mecanismos de propagação.

A determinação da massa de raios cósmicos ultra energéticos é uma questão em aberto devido a flutuação natural da primeira interação e o desconhecimentos da seção de choque para altas energias (E > 1017 eV). Alguns estudos (1) mostraram que modificações sistemáticas das propriedades em interações hadrônicas interfere significativamente no desenvolvimento de chuveiros atmosféricos extensos e, consequentemente, provêm diferentes interpretações para os resultados de raios cósmicos. No limite de altas energias, pode ocorrer a saturação de glúons na superfície nuclear, o que resulta no aumento da seção de choque próton-próton e próton-núcleo em relação ao modelo de Glauber. A seção de choque cresce com a energia e está relacionada com a função de distribuição de probabilidade de encontrar um centro espalhado que é maior no modelo de saturação de glúons. Neste trabalho analisamos a seção de choque próton-ar e núcleo-ar para energias acima de 1018 eV usando a hipótese da saturação de glúons (2). Implementamos a saturação de glúons no modelos de interações hadrônicas de altas energia SIBYLL e estudamos o desenvolvimento do chuveiro atmosférico extenso usando o programa CORSIKA. Comparamos os resultados com a taxa de elongação medida pelo Observatório Pierre Auger. Concluímos mostrando o efeito da saturação de glúons na interpretação na composição da massa de raios cósmicos ultra energéticos. / The determination of the composition of ultra high energy cosmic rays is an open question due to natural fluctuations of the first interaction point and unknow high energy cross sections. Some studies (1) have shown that systematic modifications in the hadronics interaction properties infer significantly in the development of extensive air showers and, consequently, provides different interpretations of cosmic ray results. In high energy limit (E > 1018eV), gluon saturation may occur in the nuclear surface region, so that the cross section proton-proton and proton-nucleus increase more rapidly with incident energy than Glauber theory. The cross section rise with energy is related to the probability distribution function of scattering centers which is larger for gluon saturation models. In this work we analyze the cross section proton-proton and proton-nucleus at energies above 1018 eV using the gluon saturation hypothesis (2). We implemented the gluon saturation physics in the SIBYLL hadronic interaction model and we studied the development of the air shower using the CORSIKA program. Different extrapolation models of high energy interaction with gluon interaction have been implemented in SIBYLL. We compared the simulation results using gluon saturation with the measured elongation rate published by the Pierre Auger Collaborations. We conclude by showing the effect of gluon saturation in the interpretation of cosmic ray by composition.

[ES] Los neutrinos de alta energía son partículas esquivas: no tienen carga, tienen una sección transversal de interacción muy pequeña con la materia ordinaria y su masa es extremadamente pequeña. Los neutrinos son una sonda importante en el estudio del origen de los rayos cósmicos, y también, siguiendo algunos modelos de la física más allá del modelo Stardard, pueden producirse a partir de la propagación de partículas del modelo estándar producidas por la aniquilación de la materia oscura. En el último siglo, se han desarrollado muchos enfoques nuevos en la física de astropartículas, tratando de resolver los enigmas no resueltos del Universo, como el origen de los rayos cósmicos y la existencia de la materia oscura. Entre los diferentes experimentos destacan, sin duda, los telescopios de neutrinos. Los telescopios de neutrinos, consistentes en un gran volumen de un medio transparente monitorizado por sensores ópticos para detectar luz de Cherenkov, pueden detectar neutrinos de alta energía de fuentes galácticas o extragalácticas, y también pueden usarse para el estudio de las propiedades de los neutrinos. ANTARES y su sucesor KM3NeT son dos telescopios de neutrinos ubicados en el mar Mediterráneo. El telescopio ANTARES empezó a estar operativo en 2007 y ha tomado datos de forma casi continua hasta principios de 2022. KM3NeT, aprovechando la experiencia de ANTARES, pretende ser el telescopio de neutrinos más sensible de la próxima generación de detectores. Esta tesis presenta mis contribuciones en ambos detectores. En concreto, la parte técnica del trabajo se ha desarrollado en colaboración con KM3NeT. Está dedicado al estudio de los datos de los sensores de orientación instalados en los módulos de detección ópticos de KM3NeT: desde su calibración antes del despliegue en el mar hasta el análisis de sus datos in situ. Estos sensores permiten una monitorización de los movimientos de los elementos detectores en el mar. Por otro lado, en colaboración con ANTARES se ha desarrollado un análisis de física relacionado con la búsqueda de la aniquilación de la materia oscura en el Sol analizando trece años de datos. Se han obtenido nuevos límites superiores para los flujos de neutrinos y antineutrinos a partir de la aniquilación de materia oscura en el Sol, y a partir de estos, se han derivado límites superiores a la sección eficaz de dispersión de Materia Oscura - Nucleón. Estos resultados mejoran en un factor dos los resultados anteriores de ANTARES y son competitivos con respecto a otros experimentos. / [CA] Els neutrins d'alta energia són partícules esquives: no tenen càrrega, tenen una secció transversal d'interacció molt petita amb la matèria ordinària i la massa és extremadament petita. Els neutrins són una sonda important en l'estudi de l'origen dels raigs còsmics, i també, seguint alguns models de la física més enllà del Model Stardard, es poden produir a partir de la propagació de partícules del model estàndard produïdes per l'aniquilació de la matèria fosca. A l'últim segle, s'han desenvolupat molts enfocaments nous a la física d'astropartícules, tractant de resoldre els enigmes no resolts de l'Univers, com l'origen dels raigs còsmics i l'existència de la matèria fosca. Entre els diferents experiments destaquen, sens dubte, els telescopis de neutrins. Els telescopis de neutrins, consistents en un gran volum d'un medi transparent monitoritzat per sensors òptics per detectar llum de Cherenkov, poden detectar neutrins d'alta energia de fonts galàctiques o extragalàctiques, i també es poden utilitzar per a l'estudi de les propietats dels neutrins. ANTARES i el seu successor KM3NeT són dos telescopis de neutrins ubicats al mar Mediterrani. El telescopi ANTARES va començar a estar operatiu el 2007 i ha pres dades de forma gairebé contínua fins a principis del 2022. KM3NeT, aprofitant l'experiència d'ANTARES, pretén ser el telescopi de neutrins més sensible de la propera generació de detectors. Aquesta tesi presenta les meves contribucions a tots dos detectors. Concrètement, la part tècnica del treball s'ha desenvolupat en col·laboració amb KM3NeT. Està dedicat a l'estudi de les dades dels sensors d'orientació instal·lats als mòduls de detecció òptics de KM3NeT: des del calibratge abans del desplegament al mar fins a l'anàlisi de les seves dades in situ. Aquests sensors permeten una monitorització dels moviments dels elements detectors al mar. D'altra banda, en col·laboració amb ANTARES s'ha desenvolupat una anàlisi de física relacionada amb la recerca de l'aniquilació de la matèria fosca al Sol analitzant tretze anys de dades. S'han obtingut nous límits superiors per als fluxos de neutrins i antineutrins a partir de l'aniquilació de matèria fosca al Sol, i a partir d'aquests, s'han derivat límits superiors a la secció eficaç de dispersió de Materia Fosca - Nucleó. Aquests resultats milloren en un factor dos els resultats anteriors de ANTARES i són competitius respecte a altres experiments. / [EN] High energy Neutrinos are elusive particles: they are chargeless, have a very small cross section with ordinary matter and their mass is extremely small. Neutrinos are an important probe in the study of the origin of cosmic rays but also, following some models of physics Beyond the Standard Model, they can be produced from the decay of Standard Model particles produced by dark matter annihilation. In the last century, many new approaches have been developed in astroparticle physics, trying to solve the unsolved puzzles of the Universe such as the origin of Cosmic Rays and the existence of Dark Matter. Among the many experiments, neutrino telescopes certainly stand out. Neutrinos telescopes, made of large volume of a transparent medium observed by optical sensors, can detect high energy neutrinos from galactic or extra-galactic sources, and they can also be used for the study of neutrino properties. ANTARES and its successor KM3NeT are two neutrino telescopes located in the Mediterranean sea. ANTARES operations started in 2007 and it has taken data almost continuously until the beginning of 2022. KM3NeT, taking advantage from the experience of ANTARES, aims to be the most sensitive neutrino telescope in the next generation of detectors. This thesis presents my contributions to both detectors. In particular, the technical part of the work has been developed in collaboration with KM3NeT. It is devoted to the the study of data from the compasses installed in the KM3NeT detection elements: from their calibration before deployment to the analysis of their data in the sea. These compasses allow a tracking of the movements of the detector elements in the sea. In collaboration with ANTARES a physics analysis related to the search of dark matter annihilation in the Sun has been developed analyzing thirteen years of data. New upper limits for neutrino and antineutrino fluxes from dark matter annihilation in the Sun have been obtained, and from these upper limits on the Dark Matter - Nucleon scattering cross section have been obtained. These results improve previous ANTARES results by a factor of 2 and are competitive with those obtained by other experiments. / Poirè, C. (2022). Dark Matter Searches Towards the Sun with ANTARES and Positioning Studies for KM3NeT [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/188750