Ultra-High Energy Cosmic Rays (UHECR) can only be measured by the detection of Extensive Air Showers (EAS) created by the interaction of the cosmic ray particle with an atmospheric nuclei. The inference of some of the properties of UHECR, like their mass composition, is only possible by the comparison of measurements of EAS observables to predictions from Monte Carlo simulations. The most important source of uncertainties on the description of EAS by the simulations is the modeling of hadronic interactions. For many years it has been known that the hadronic interaction models fail on predicting the EAS observables related to their muonic component. The most evident manifestation of that is called muon deficit problem due to the fact that the number of muons in EAS with energies above 1018 eV predicted by simulations is smaller than the observed ones. The aim of this thesis is to approach this problem in three distinct fronts. First, a method is developed to interpret measurements of number of muons in terms of cosmic rays composition in despite of the muon deficit problem. Second, an EAS observable which is sensitive to the muon energy spectrum at ground and, consequently, can be used to constrain hadronic interaction models is proposed and tested. Third and final, the muon production in air showers is studied through measurements of hadron production spectra in pion-carbon interactions. / Raios Cósmicos Ultra Energéticos (Ultra-High Energy Cosmic Rays, UHECR) somente podem ser medidos através da detecção dos Chuveiros Atmosféricos Extensos (Extensive Air Showers, EAS) criados pela interação do raio cósmico primário com núcleos atmoféricos. A inferência de algumas propriedados dos UHECRs, como a composição de massa, é possível somente através da comparação entre medidas de observáveis dos EASs com predições geradas por simulações de Monte Carlo. A fonte de incerteza mais importante na descrição de EAS por simulações é a modelagem das interações hadrônicas. Por muitos anos é sabido que os modelos de interação hadrônica falham na predição de observáveis dos EASs relacionados a sua componente muônica. A manifestação mais evidente disso é chamada problema do déficit de múons devido ao fato que o número de múons em chuveiros com energias acima de 1018 eV predito por simulações é menor que os observados. O objetivo desta tese é abordar este problema através de três frentes. Primeiramente, um método é desenvolvido para interpretar as medidas do número de múons em termos de composição de raios cósmicos considerando o problema do déficit de múons. Segundo, a proposta e o teste de um observável que é sensível ao espectro de energia dos múons na superfície e, consequentemente, pode ser usado para discriminar entre os modelos de interação hadrônica. Por último, a produção de múons em chuveiros é estudada através de medidas do espectro de produção de hádrons em interações do tipo píon-carbono.

Os raios cósmicos de ultra-alta energia (UHECR) são partículas que chegam no topo da atmosfera terrestre com energia acima de 10^{18} eV. Sua composição é uma das chaves para elucidar sua origem que ainda é desconhecida. Devido ao seu baixo fluxo, os UHECR são detectados indiretamente através dos chuveiros atmosféricos extensos (EAS). Em nossa pesquisa desenvolvemos um método de discriminação da composição dos UHECR combinando dois parâmetros característicos destes chuveiros. Um deles é a profundidade na qual o chuveiro atinge seu máximo, tendo o maior número de partículas (X_{max}), e o outro, a densidade numérica de múons a 1000 m do centro do chuveiro (ho_{1000}). Temos como objetivo discriminar chuveiros iniciados por fótons daqueles iniciados por núcleos ou núcleons dado que mesmo uma pequena fração de fótons pode elucidar vários aspectos fundamentais dos UHECR. Nosso método é baseado em simulações de chuveiros, no qual, incluímos os efeitos de detecção e reconstrução, dados pelas técnicas de fluorescência e de superfície. Mostramos que nosso método de discriminação é robusto, mesmo incluindo as incertezas de reconstrução dos múons nos chuveiros que aqui estimamos para as próximas gerações de detectores de superfície. A incerteza do X_{max} será aquela usual da reconstrução pela técnica de fluorescência. Portanto, nossa análise tem um caráter preditivo para a separação da composição dos UHECR com estes parâmetros. Desta forma, nosso método pode ser aplicado aos dados dos observatórios de UHECR que utilizarem a próxima geração de detectores de superfície para reconstrução dos múons dos EAS, tais como as Colaborações Pierre Auger e Telescope Array. / Ultrahigh energy cosmic rays (UHECR) are particles which reach the Earth\'s atmosphere with energy above 10^ eV. Their composition is one of the keys to elucidate their origin which is still unknown. Due their low flux, the UHECR are detected indirectly by Extensive Air Showers (EAS). In this thesis, we develop a method to investigate their composition by simultaneously analyzing two EAS parameters, the depth at which the shower reaches its maximum size, where the number of particles reaches its maximum (X_), and the muon number at 1000 m from the shower core (ho_). We aim at discriminating EAS initiated by photons from those initiated by nucleus and nucleons. Even a small photonic fraction might reveal important fundamental UHECR questions. Our method is based on EAS simulations which includes, the detection and reconstruction by fluorescence and surface detectors. We show that our methodological approach is robust even when muons reconstruction uncertainties are considered. We derive the necessary uncertainty of the next generation of surface detectors that look for detect muons in EAS. As a result, our analysis is predictive in separating photon showers from nucleus and nucleons. Thus, our method can be used as an data analysis tool for UHECR experiments, such as the Pierre Auger Observatory and Telescope Array.

Os raios cósmicos de ultra-alta energia (UHECR) são partículas que chegam no topo da atmosfera terrestre com energia acima de 10^{18} eV. Sua composição é uma das chaves para elucidar sua origem que ainda é desconhecida. Devido ao seu baixo fluxo, os UHECR são detectados indiretamente através dos chuveiros atmosféricos extensos (EAS). Em nossa pesquisa desenvolvemos um método de discriminação da composição dos UHECR combinando dois parâmetros característicos destes chuveiros. Um deles é a profundidade na qual o chuveiro atinge seu máximo, tendo o maior número de partículas (X_{max}), e o outro, a densidade numérica de múons a 1000 m do centro do chuveiro (ho_{1000}). Temos como objetivo discriminar chuveiros iniciados por fótons daqueles iniciados por núcleos ou núcleons dado que mesmo uma pequena fração de fótons pode elucidar vários aspectos fundamentais dos UHECR. Nosso método é baseado em simulações de chuveiros, no qual, incluímos os efeitos de detecção e reconstrução, dados pelas técnicas de fluorescência e de superfície. Mostramos que nosso método de discriminação é robusto, mesmo incluindo as incertezas de reconstrução dos múons nos chuveiros que aqui estimamos para as próximas gerações de detectores de superfície. A incerteza do X_{max} será aquela usual da reconstrução pela técnica de fluorescência. Portanto, nossa análise tem um caráter preditivo para a separação da composição dos UHECR com estes parâmetros. Desta forma, nosso método pode ser aplicado aos dados dos observatórios de UHECR que utilizarem a próxima geração de detectores de superfície para reconstrução dos múons dos EAS, tais como as Colaborações Pierre Auger e Telescope Array. / Ultrahigh energy cosmic rays (UHECR) are particles which reach the Earth\'s atmosphere with energy above 10^ eV. Their composition is one of the keys to elucidate their origin which is still unknown. Due their low flux, the UHECR are detected indirectly by Extensive Air Showers (EAS). In this thesis, we develop a method to investigate their composition by simultaneously analyzing two EAS parameters, the depth at which the shower reaches its maximum size, where the number of particles reaches its maximum (X_), and the muon number at 1000 m from the shower core (ho_). We aim at discriminating EAS initiated by photons from those initiated by nucleus and nucleons. Even a small photonic fraction might reveal important fundamental UHECR questions. Our method is based on EAS simulations which includes, the detection and reconstruction by fluorescence and surface detectors. We show that our methodological approach is robust even when muons reconstruction uncertainties are considered. We derive the necessary uncertainty of the next generation of surface detectors that look for detect muons in EAS. As a result, our analysis is predictive in separating photon showers from nucleus and nucleons. Thus, our method can be used as an data analysis tool for UHECR experiments, such as the Pierre Auger Observatory and Telescope Array.

Ultra-High Energy Cosmic Rays (UHECR) can only be measured by the detection of Extensive Air Showers (EAS) created by the interaction of the cosmic ray particle with an atmospheric nuclei. The inference of some of the properties of UHECR, like their mass composition, is only possible by the comparison of measurements of EAS observables to predictions from Monte Carlo simulations. The most important source of uncertainties on the description of EAS by the simulations is the modeling of hadronic interactions. For many years it has been known that the hadronic interaction models fail on predicting the EAS observables related to their muonic component. The most evident manifestation of that is called muon deficit problem due to the fact that the number of muons in EAS with energies above 1018 eV predicted by simulations is smaller than the observed ones. The aim of this thesis is to approach this problem in three distinct fronts. First, a method is developed to interpret measurements of number of muons in terms of cosmic rays composition in despite of the muon deficit problem. Second, an EAS observable which is sensitive to the muon energy spectrum at ground and, consequently, can be used to constrain hadronic interaction models is proposed and tested. Third and final, the muon production in air showers is studied through measurements of hadron production spectra in pion-carbon interactions. / Raios Cósmicos Ultra Energéticos (Ultra-High Energy Cosmic Rays, UHECR) somente podem ser medidos através da detecção dos Chuveiros Atmosféricos Extensos (Extensive Air Showers, EAS) criados pela interação do raio cósmico primário com núcleos atmoféricos. A inferência de algumas propriedados dos UHECRs, como a composição de massa, é possível somente através da comparação entre medidas de observáveis dos EASs com predições geradas por simulações de Monte Carlo. A fonte de incerteza mais importante na descrição de EAS por simulações é a modelagem das interações hadrônicas. Por muitos anos é sabido que os modelos de interação hadrônica falham na predição de observáveis dos EASs relacionados a sua componente muônica. A manifestação mais evidente disso é chamada problema do déficit de múons devido ao fato que o número de múons em chuveiros com energias acima de 1018 eV predito por simulações é menor que os observados. O objetivo desta tese é abordar este problema através de três frentes. Primeiramente, um método é desenvolvido para interpretar as medidas do número de múons em termos de composição de raios cósmicos considerando o problema do déficit de múons. Segundo, a proposta e o teste de um observável que é sensível ao espectro de energia dos múons na superfície e, consequentemente, pode ser usado para discriminar entre os modelos de interação hadrônica. Por último, a produção de múons em chuveiros é estudada através de medidas do espectro de produção de hádrons em interações do tipo píon-carbono.