Orientador: Carola Dobrigkeit Chinellato / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-17T01:52:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Souto_BrunoFontes_M.pdf: 1947654 bytes, checksum: a1d7f70ebf2510a975c39b16829bf94a (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: O objetivo deste trabalho é aplicar umteste que visa determinar se as direções de chegada dos raios cósmicos de energias mais altas (> 1019 eV) observados pelo Observatório Pierre Auger seguem uma distribuição isotrópica. Sua principal vantagem é dispensar o uso de catálogos de objetos astrofísicos. Igualmente, procura-se uma correlação das direções de chegada com a região conhecida como Plano Supergaláctico. Dá-se ênfase na motivação, interpretação e na visão geral sobre anisotropia de raios cósmicos surgida nos últimos anos. O resultado obtido com os dados atuais neste trabalho é que de fato existe uma anisotropia nas direções de chegada, embora esta ainda seja difícil de caracterizar / Abstract: In this work, we apply a test designed to answer the question of whether the arrival directions of the highest energy (> 1019 eV) events observed by the Pierre Auger Observatory are consistent with being drawn from an isotropic distribution. Its main advantage is that the method does not rely on any catalogue of astrophysical objects. Furthermore, a correlation of the arrival directions with the region known as Supergalactic Plane is investigated. Emphasis is put on motivation, interpretation and on the global picture of cosmic ray anisotropy that has emerged during the last years. The result found so far from the current data in this work is that an anisotropy in the arrival directions indeed exists, even so it is still difficult to characterize / Mestrado / Raios Cósmicos / Mestre em Física

Há várias evidências experimentais da existência de matéria escura no universo. Apesar destas evidências, pouco se sabe sobre sua constituição, sabendo-se apenas que interage gravitacionalmente, mas não eletromagneticamente. Neste projeto, investigamos a possibilidade da matéria escura ser composta por partículas supermassivas e fortemente interagentes (Simpzillas). Para isto determinamos o sinal que deve ser deixado no telescópio IceCube por neutrinos resultantes de aniquilações de matéria escura no Sol. Após determinarmos o espectro de neutrinos no centro do Sol, simulamos sua propagação até a superfície, depois até a Terra e através da Terra até o detector. Comparamos então estes resultados com os fornecidos pelo IceCube. Esta comparação permite testar uma região do espaço de fase massa versus seção de choque previamente não-excluída por outros tipos de experiência que não telescópios de neutrinos. Como resultado, concluímos que partículas supermassivas e fortemente interagentes não podem constituir a matéria escura. / There are many experimental evidences for the existence of dark matter in the universe. Despite these evidences, there is no knowledge about its constitution other than the fact that it interacts gravitationally but not electromagnetically. In this project, we investigate the possibility that dark matter is composed of strongly interacting massive particles (Simpzillas). We determine the expected signal in the IceCube telescope from Simpzilla annihilation in the center of the Sun. We first determine the neutrino spectrum in the core of the Sun. We then simulate its propagation through both the Sun and Earth, and finally the rate of neutrinos at the detector. A comparison of these results to the ones published by the IceCube collaboration covers a large region of the yet not excluded regions of the mass versus cross-section phase space. As a result, the possibility of Simpzillas composing the dark matter is ruled out.

O comportamento das interações hadrônicas para energias de centro de massa superiores a 50 TeV/núcleon é uma fonte importante de incerteza sistemática na interpretação de dados de observatórios de raios cósmicos. Nesta tese, estudamos por meio de simulações de Monte Carlo observáveis dos chuveiros atmosféricos que pudessem ser correlacionados com aspectos dos diferentes modelos destas interações. Especial atenção foi dada à componente muônica que sabidamente é gerada do decaimento de partículas de natureza hadrônica na cascata. A precisão e a acurácia de uma rede esparsa de contadores de múons foram estudadas como função da granularidade da rede de detectores e da área de coleção de suas células. Mostramos, em particular, as diferenças na dependência radial da densidade de múons no plano transversal ao eixo da cascata para os diferentes modelos. Tais diferenças se mostram mais acentuadas na vizinhança do eixo e poderiam ser exploradas experimentalmente com um detector com alcance dinâmico suficiente para evitar saturação da eletrônica. Além disso, por meio de um tratamento fenomenológico, investigamos o impacto no desenvolvimento do chuveiro causado por variações na distribuição de pseudorapidez $dN/d\\eta$ de secundários produzidos na colisão primária. Mostramos que diferentemente de quantidades como seção de choque inelástica, multiplicidade, razão de carga e elasticidade, mudanças em $dN/d\\eta$ que preservem tais quantidades são rapidamente diluídas nas sucessivas camadas de interações posteriores à colisão primária. / The behavior of the hadronic interactions at center of mass energies greater than 50 TeV/nucleon is an important source of systematic uncertainty on interpreting data from cosmic ray observatories. In this thesis, we study through Monte Carlo simulations the atmospheric shower observables that could be correlated with different aspects of these interactions. Special attention was paid to the muonic component that is known to be generated from the decay of hadronic particles. The precision and accuracy of a sparse grid of muon counters were studied as a function of the array granularity and the collection area of its cells. In particular, we studied the differences in the radial dependence of the muon density in the shower plane for different models. These differences are shown to be larger in the vicinity of the shower axis and, therefore, could be explored with a detector of sufficiently large dynamic range as to avoid saturation of its acquisition electronics. In addition, through a phenomenological treatment, we investigated the impact on the shower development caused by variations in the distribution of pseudorapidity $ dN/d\\eta $ of secondaries particles produced in the primary collision. We show that unlike quantities such as inelastic cross section, multiplicity, charge ratio and elasticity, changes in $ dN/d\\eta $ that preserve such quantities are rapidly diluted in successive interaction layers subsequent to the primary collision.

Há várias evidências experimentais da existência de matéria escura no universo. Apesar destas evidências, pouco se sabe sobre sua constituição, sabendo-se apenas que interage gravitacionalmente, mas não eletromagneticamente. Neste projeto, investigamos a possibilidade da matéria escura ser composta por partículas supermassivas e fortemente interagentes (Simpzillas). Para isto determinamos o sinal que deve ser deixado no telescópio IceCube por neutrinos resultantes de aniquilações de matéria escura no Sol. Após determinarmos o espectro de neutrinos no centro do Sol, simulamos sua propagação até a superfície, depois até a Terra e através da Terra até o detector. Comparamos então estes resultados com os fornecidos pelo IceCube. Esta comparação permite testar uma região do espaço de fase massa versus seção de choque previamente não-excluída por outros tipos de experiência que não telescópios de neutrinos. Como resultado, concluímos que partículas supermassivas e fortemente interagentes não podem constituir a matéria escura. / There are many experimental evidences for the existence of dark matter in the universe. Despite these evidences, there is no knowledge about its constitution other than the fact that it interacts gravitationally but not electromagnetically. In this project, we investigate the possibility that dark matter is composed of strongly interacting massive particles (Simpzillas). We determine the expected signal in the IceCube telescope from Simpzilla annihilation in the center of the Sun. We first determine the neutrino spectrum in the core of the Sun. We then simulate its propagation through both the Sun and Earth, and finally the rate of neutrinos at the detector. A comparison of these results to the ones published by the IceCube collaboration covers a large region of the yet not excluded regions of the mass versus cross-section phase space. As a result, the possibility of Simpzillas composing the dark matter is ruled out.

The Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02) is a cosmic ray detector operating aboard the International Space Station (ISS) since May 2011. The identification of cosmic ray deuterium and hydrogen particles is the main goal of this work. Using the data collected by the AMS-02 experiment between May 2011 and May 2014 we provide the measurement of the 2H to the 1H ratio between 0.7 and 7 GeV/n. Cosmic rays are mainly composed of hydrogen nuclei. No significant amount of deuterium nuclei is expected to be released from galactic sources since they are destroyed rather than formed in thermonuclear reactions inside stars. As a consequence of their production history, they are part of a class of secondary stable nuclei that provide information on the propagation of cosmic rays in the galaxy. Despite their relevance for propagation studies, very few measurements of deuterium exist above 1 GeV/n, due to the poor isotopic separation capacity of previous experiments. For this reason, the deuterium to hydrogen flux ratio is a very important measurement to be carried out using the data collected by the AMS-02 experiment. The mass and the isotopic composition of cosmic-rays nuclei can be measured by the AMS-02 experiment using measurements of the momentum (provided by the tracker) and velocity of the particles (provided by the Time-of-Flight and the RICH). This analysis is one of the first to be focused on hydrogen isotopic composition with AMS-02 data, and our results are in fair agreement with a similar and independent analysis that has been carried out within the Collaboration. / O Espectômetro Magnético Alpha (AMS-02) é um detetor de raios cósmicos operando na Estação Espacial Internacional (ISS) desde maio de 2011. O principal objetivo deste trabalho é a identificação de deutério e hidrogênio nos raios cósmicos. Usando dados coletados pelo experimento AMS-02 entre maio de 2011 e maio de 2014 foi medida a razão entre os fluxos de 2H e 1H entre 0.7 e 7 GeV/n. Raios cósmicos são compostos, principalmente, por núcleos de hidrogênio. Não é esperado que fontes galácticas de raios cósmicos liberem uma quantidade significativa de núcleos de deutério, já que eles são destruidos, em vez de formados, nas reações termonucleares no interior de estrelas. Assim, eles fazem parte de uma classe de partículas secundárias estáveis que fornecem informações acerca da propagação de raios cósmicos na galáxia. Apesar da relevância para o estudo da propagação de raios cósmicos, poucas medidas da sua quantidade acima de 1 GeV/n existem, devido à baixa capacidade de separação de isótopos de prévios experimentos. Por isso a razão entre os fluxos de deutério e hidrogênio é uma importante medida a ser feita com os dados do AMS-02. A massa, e portanto a composição isotópica dos raios cósmicos, pode ser medida pelo AMS-02 a partir das medições de momento (realizada pelo tracker) e velocidade (realizadas pelo ToF e RICH). Essa análise é uma das primeiras a focar na composição isotópica do hidrogênio com dados do AMS-02, e os resultados estão razoavelmente em acordo com análises independendes semelhantes realizadas na colaboração AMS.

The Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02) is a cosmic ray detector operating aboard the International Space Station (ISS) since May 2011. The identification of cosmic ray deuterium and hydrogen particles is the main goal of this work. Using the data collected by the AMS-02 experiment between May 2011 and May 2014 we provide the measurement of the 2H to the 1H ratio between 0.7 and 7 GeV/n. Cosmic rays are mainly composed of hydrogen nuclei. No significant amount of deuterium nuclei is expected to be released from galactic sources since they are destroyed rather than formed in thermonuclear reactions inside stars. As a consequence of their production history, they are part of a class of secondary stable nuclei that provide information on the propagation of cosmic rays in the galaxy. Despite their relevance for propagation studies, very few measurements of deuterium exist above 1 GeV/n, due to the poor isotopic separation capacity of previous experiments. For this reason, the deuterium to hydrogen flux ratio is a very important measurement to be carried out using the data collected by the AMS-02 experiment. The mass and the isotopic composition of cosmic-rays nuclei can be measured by the AMS-02 experiment using measurements of the momentum (provided by the tracker) and velocity of the particles (provided by the Time-of-Flight and the RICH). This analysis is one of the first to be focused on hydrogen isotopic composition with AMS-02 data, and our results are in fair agreement with a similar and independent analysis that has been carried out within the Collaboration. / O Espectômetro Magnético Alpha (AMS-02) é um detetor de raios cósmicos operando na Estação Espacial Internacional (ISS) desde maio de 2011. O principal objetivo deste trabalho é a identificação de deutério e hidrogênio nos raios cósmicos. Usando dados coletados pelo experimento AMS-02 entre maio de 2011 e maio de 2014 foi medida a razão entre os fluxos de 2H e 1H entre 0.7 e 7 GeV/n. Raios cósmicos são compostos, principalmente, por núcleos de hidrogênio. Não é esperado que fontes galácticas de raios cósmicos liberem uma quantidade significativa de núcleos de deutério, já que eles são destruidos, em vez de formados, nas reações termonucleares no interior de estrelas. Assim, eles fazem parte de uma classe de partículas secundárias estáveis que fornecem informações acerca da propagação de raios cósmicos na galáxia. Apesar da relevância para o estudo da propagação de raios cósmicos, poucas medidas da sua quantidade acima de 1 GeV/n existem, devido à baixa capacidade de separação de isótopos de prévios experimentos. Por isso a razão entre os fluxos de deutério e hidrogênio é uma importante medida a ser feita com os dados do AMS-02. A massa, e portanto a composição isotópica dos raios cósmicos, pode ser medida pelo AMS-02 a partir das medições de momento (realizada pelo tracker) e velocidade (realizadas pelo ToF e RICH). Essa análise é uma das primeiras a focar na composição isotópica do hidrogênio com dados do AMS-02, e os resultados estão razoavelmente em acordo com análises independendes semelhantes realizadas na colaboração AMS.