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.

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.

Nesta tese investigamos uma possível componente de partículas previstas por modelos além do modelo padrão da física de partículas, como por exemplo o massive gluino LSP, nos raios cósmicos de altíssimas energias (UHECR). Nosso objetivo é determinar os sinais experimentais em telescópios de fluorescência devidos a hádrons exóticos massivos e neutros, genericamente denominados de UHECRons. Para simular chuveiros iniciados por essa classe de partículas, alteramos o pacote Aires de simulação de chuveiros atmosféricos e o modelo hadrônico Sibyll. Estes chuveiros foram utilizados como entrada em simulações de telescópios de fluorescência por nós desenvolvidas, obtendo-se assim as distribuições dos observáveis desses chuveiros exóticos. A partir da comparação entre as características de chuveiros iniciados uhecrons e prótons, desenvolvemos métodos para a separação de sinais entre esses dois tipos de partículas. Esses métodos podem ser utilizados em uma análise inicial, com o intuito de procurar por sinais de partículas exóticas nos dados reais de observatórios de UHECR. / In this thesis we investigate a possible component of particles predicted by models beyond the standard model of particle physics, like the massive gluino LSP, in the ultra high energy cosmic rays (UHECR). Our objective is to determine the experimental signals on fluorescence telescopes due to exotic massive and neutral hadrons, generically called UHECRons. To simulate showers initiated by this class of particle, we altered the shower simulation package Aires and the hadronic model Sibyll. These showers were used as input in our simulations of fluorescence telescopes, thus obtaining the distribuitons of the observables for these exotic showers. By comparing the characteristics of showers initiated by uhecrons and protons, we developed methods to distinguish the signals between these two particles. These methods can be used in an initial analysis in order to look for signals of exotic particles in the real data of UHECR observatories.

Orientador: Marcelo Augusto Leigui de Oliveira. / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Física, 2009.

Nesta tese investigamos uma possível componente de partículas previstas por modelos além do modelo padrão da física de partículas, como por exemplo o massive gluino LSP, nos raios cósmicos de altíssimas energias (UHECR). Nosso objetivo é determinar os sinais experimentais em telescópios de fluorescência devidos a hádrons exóticos massivos e neutros, genericamente denominados de UHECRons. Para simular chuveiros iniciados por essa classe de partículas, alteramos o pacote Aires de simulação de chuveiros atmosféricos e o modelo hadrônico Sibyll. Estes chuveiros foram utilizados como entrada em simulações de telescópios de fluorescência por nós desenvolvidas, obtendo-se assim as distribuições dos observáveis desses chuveiros exóticos. A partir da comparação entre as características de chuveiros iniciados uhecrons e prótons, desenvolvemos métodos para a separação de sinais entre esses dois tipos de partículas. Esses métodos podem ser utilizados em uma análise inicial, com o intuito de procurar por sinais de partículas exóticas nos dados reais de observatórios de UHECR. / In this thesis we investigate a possible component of particles predicted by models beyond the standard model of particle physics, like the massive gluino LSP, in the ultra high energy cosmic rays (UHECR). Our objective is to determine the experimental signals on fluorescence telescopes due to exotic massive and neutral hadrons, generically called UHECRons. To simulate showers initiated by this class of particle, we altered the shower simulation package Aires and the hadronic model Sibyll. These showers were used as input in our simulations of fluorescence telescopes, thus obtaining the distribuitons of the observables for these exotic showers. By comparing the characteristics of showers initiated by uhecrons and protons, we developed methods to distinguish the signals between these two particles. These methods can be used in an initial analysis in order to look for signals of exotic particles in the real data of UHECR observatories.

Extensive air showers’ (EAS) observables sensible to primary cosmic ray mass are a valuable asset in constraining competing astrophysical and particle physics scenarios proposed both to explaining cosmic rays features, such as their all-particle spectra, as well as their origin. These observables, however, need to be interpreted by comparison to EAS simulations, which are a source of great uncertainty. Shower simulations need to rely on a technique called thinning, an algorithm created to reduce computing time and storage requirement. In this work, we evaluate the effects of thinning over the muon production profile of an EAS simulation. For heavier particles it appears that thinned showers generate profiles with a deeper maximum, while results were not conclusive for protons and photon primaries. We investigate the thinning technique by constructing a toy model for shower simulations in which we have full control of the thinning implementation. To that end, we parameterized the energy distribution and particle production multiplicity from proton-air interactions and proton-pion interactions. However, we find that thinning effects over our model were too severe, rendering it impossible to draw further conclusions about its effects on full air showers simulations. / Observáveis sensíveis à composição de raios cósmicos primários em chuveiros atmosféricos extensos são um recurso valioso na constrição de cenários competidores em astrofísica e física de partículas, propostos tanto para explicar características dos raios cósmicos, como o espectro de energia de todas as partículas, quanto sua origem. Estes observáveis, no entanto, precisam ser interpretados por comparação a simulações de chuveiros atmosféricos, que constituem fonte de grandes incertezas. Simulações de chuveiros são dependentes de uma técnica chamada thinning, um algoritmo criado para reduzir o tempo de computação e exigências de armazenamento. Neste trabalho, nós avaliamos os efeitos do thinning sobre o perfil de produção de múons em uma simulação de chuveiro atmosférico. Para partículas mais pesadas, aparentemente, chuveiros sujeitos ao thinning geram perfis com máximos mais profundos, e para prótons e fótons nossas análises foram inconclusivas. Nós investigamos a técnica do thinning construindo um simulador de chuveiros simplificado, em que o total controle sobre a implementação do thinning é garantido. Para este fim, parametrizamos a distribuição de energia e a multiplicidade de partículas em interações de próton com o ar e de píons com o ar. Entretanto, descobrimos que o efeito do thinning sobre o nosso modelo era muito severo, tornando impossível concluir seus efeitos sobre simulações completas.

O objetivo desta dissertação é a busca de anisotropias em grandes escalas angulares no fluxo de raios cósmicos acima de 4 × 10^{18} eV e o confronto dos resultados obtidos com as previsões dos principais modelos astrofísicos na região de ultra altas energias. Com esse propósito foram analisados os dados de chuveiros atmosféricos extensos registrados pelo Observatório Pierre Auger no período de 01 de janeiro de 2004 até 31 de agosto de 2016, compreendendo um total de 108 480 eventos detetados com ângulos zenitais entre 0 e 80 graus acima de 4 × 10^{18} eV. Efeitos sistemáticos locais como a influência da variação das condições atmosféricas e a influência do campo geomagnético nos estimadores de energia das cascatas atmosféricas foram corrigidos cuidadosamente para evitar a introdução de sinais espúrios de anisotropias na análise. Especial ênfase foi dedicada à construção de um mapa bidimensional na esfera celeste com os valores da exposição para cada direção no céu, calculado com uma precisão de 1% a partir da informação da área de coleção efetiva no Observatório Pierre Auger a cada minuto. Da mesma forma, a distribuição das direções de chegada dos eventos foi registrada em mapas bidimensionais na esfera celeste que, após corrigidos pela exposição, são transformados nos mapas de fluxo usados na análise quantitativa para a busca de anisotropias. Neste trabalho procurou-se padrões dipolares de anisotropias, os quais foram quantificados usando o método de expansão multipolar em harmônicos esféricos. Diferentemente do método bidimensional de Rayleigh usado na maioria dos estudos deste tipo, o método aqui utilizado fornece de maneira direta as três componentes cartesianas do dipolo, por meio das quais a reconstrução da amplitude e orientação espacial do dipolo é feita de maneira mais natural. A busca de anisotropias foi realizada em dois intervalos de energia independentes, assim foram analisados por separado os eventos com energias entre 4 × 10^{18} e 8 × 10^{18} eV e de energias maiores que 8 × 10^{18} eV. No primeiro intervalo não foi encontrado nenhum sinal de anisotropia estatisticamente significativo. No segundo intervalo foi encontrada uma anisotropia dipolar de amplitude d = (7.9 ± 1.1)% com coordenadas equatoriais (_d , _d ) = (103 ± 10 , 38 ± 7 ) graus e uma probabilidade de ocorrência ao acaso de 6.90 × 10^{8} , correspondendo a uma significância estatística acima do limiar de descoberta de 5 . Tal amplitude e direção são melhor explicadas assumindo-se uma origem extragaláctica para os raios cósmicos com energias acima de 8 × 10^{18} eV. / The aim of this dissertation is the search for large scale anisotropies in the cosmic ray flux above 4 × 10^{18} eV and the comparison of the results with the predictions of the main astrophysical models in the ultra high energy region. With this purpose we analyzed the data of extensive air showers detected by the Pierre Auger Observatory in the period of 1st January 2004 to 31st August 2016 comprising a total of 108 480 events with zenith angles between 0 and 80 degrees above the threshold of 4 × 10^{18} eV. Local systematic effects such as the influence of the variation of the atmospheric conditions and the effect of the geomagnetic field in the energy estimators were properly corrected to avoid the introduction of spurious anisotropy signals in the analysis. Special emphasis was placed on the construction of a two-dimensional map on the celestial sphere with the exposure values for each direction on the sky, calculated with an accuracy of 1% from the information of the effective collection area of the observatory at every minute. Likewise, the arrival directions distribution of the events was recorded in two-dimensional maps on the celestial sphere that after correcting by the exposure were transformed into the flux maps to be used in the quantitative analysis for the anisotropies search. In this work we search for dipolar-like anisotropy patterns, which were quantified by performing a spherical harmonics decomposition of the cosmic ray flux map. Unlike the traditional two-dimensional Rayleigh method used in the majority of the studies of this kind, the method used here directly provides the three cartesian components of the dipole, allowing the reconstruction of its amplitude and orientation in a more natural way. The anisotropy search was made in two independent energy bins, so the distributions of the events with energies between 4 × 10^{18} and 8 × 10^{18} eV and those with energies greater than 8 × 10^{18} eV were analyzed separately. In the first energy bin no statistically significant departure from isotropy was found. In the second energy bin a dipole anisotropy of amplitude d = (7.9 ± 1.1)% with equatorial coordinates (_d , _d ) = (103 ± 10 , 38 ± 7 ) degrees and a chance probability of 6.90 × 10^{8} was found, corresponding to a statistical significance above the discovery threshold of 5 . Such amplitude and direction for the reconstructed dipole is better explained if an extragalactic origin is assumed for the bulk of cosmic rays above 8 × 10^{18} eV.

O objetivo desta dissertação é a busca de anisotropias em grandes escalas angulares no fluxo de raios cósmicos acima de 4 × 10^{18} eV e o confronto dos resultados obtidos com as previsões dos principais modelos astrofísicos na região de ultra altas energias. Com esse propósito foram analisados os dados de chuveiros atmosféricos extensos registrados pelo Observatório Pierre Auger no período de 01 de janeiro de 2004 até 31 de agosto de 2016, compreendendo um total de 108 480 eventos detetados com ângulos zenitais entre 0 e 80 graus acima de 4 × 10^{18} eV. Efeitos sistemáticos locais como a influência da variação das condições atmosféricas e a influência do campo geomagnético nos estimadores de energia das cascatas atmosféricas foram corrigidos cuidadosamente para evitar a introdução de sinais espúrios de anisotropias na análise. Especial ênfase foi dedicada à construção de um mapa bidimensional na esfera celeste com os valores da exposição para cada direção no céu, calculado com uma precisão de 1% a partir da informação da área de coleção efetiva no Observatório Pierre Auger a cada minuto. Da mesma forma, a distribuição das direções de chegada dos eventos foi registrada em mapas bidimensionais na esfera celeste que, após corrigidos pela exposição, são transformados nos mapas de fluxo usados na análise quantitativa para a busca de anisotropias. Neste trabalho procurou-se padrões dipolares de anisotropias, os quais foram quantificados usando o método de expansão multipolar em harmônicos esféricos. Diferentemente do método bidimensional de Rayleigh usado na maioria dos estudos deste tipo, o método aqui utilizado fornece de maneira direta as três componentes cartesianas do dipolo, por meio das quais a reconstrução da amplitude e orientação espacial do dipolo é feita de maneira mais natural. A busca de anisotropias foi realizada em dois intervalos de energia independentes, assim foram analisados por separado os eventos com energias entre 4 × 10^{18} e 8 × 10^{18} eV e de energias maiores que 8 × 10^{18} eV. No primeiro intervalo não foi encontrado nenhum sinal de anisotropia estatisticamente significativo. No segundo intervalo foi encontrada uma anisotropia dipolar de amplitude d = (7.9 ± 1.1)% com coordenadas equatoriais (_d , _d ) = (103 ± 10 , 38 ± 7 ) graus e uma probabilidade de ocorrência ao acaso de 6.90 × 10^{8} , correspondendo a uma significância estatística acima do limiar de descoberta de 5 . Tal amplitude e direção são melhor explicadas assumindo-se uma origem extragaláctica para os raios cósmicos com energias acima de 8 × 10^{18} eV. / The aim of this dissertation is the search for large scale anisotropies in the cosmic ray flux above 4 × 10^{18} eV and the comparison of the results with the predictions of the main astrophysical models in the ultra high energy region. With this purpose we analyzed the data of extensive air showers detected by the Pierre Auger Observatory in the period of 1st January 2004 to 31st August 2016 comprising a total of 108 480 events with zenith angles between 0 and 80 degrees above the threshold of 4 × 10^{18} eV. Local systematic effects such as the influence of the variation of the atmospheric conditions and the effect of the geomagnetic field in the energy estimators were properly corrected to avoid the introduction of spurious anisotropy signals in the analysis. Special emphasis was placed on the construction of a two-dimensional map on the celestial sphere with the exposure values for each direction on the sky, calculated with an accuracy of 1% from the information of the effective collection area of the observatory at every minute. Likewise, the arrival directions distribution of the events was recorded in two-dimensional maps on the celestial sphere that after correcting by the exposure were transformed into the flux maps to be used in the quantitative analysis for the anisotropies search. In this work we search for dipolar-like anisotropy patterns, which were quantified by performing a spherical harmonics decomposition of the cosmic ray flux map. Unlike the traditional two-dimensional Rayleigh method used in the majority of the studies of this kind, the method used here directly provides the three cartesian components of the dipole, allowing the reconstruction of its amplitude and orientation in a more natural way. The anisotropy search was made in two independent energy bins, so the distributions of the events with energies between 4 × 10^{18} and 8 × 10^{18} eV and those with energies greater than 8 × 10^{18} eV were analyzed separately. In the first energy bin no statistically significant departure from isotropy was found. In the second energy bin a dipole anisotropy of amplitude d = (7.9 ± 1.1)% with equatorial coordinates (_d , _d ) = (103 ± 10 , 38 ± 7 ) degrees and a chance probability of 6.90 × 10^{8} was found, corresponding to a statistical significance above the discovery threshold of 5 . Such amplitude and direction for the reconstructed dipole is better explained if an extragalactic origin is assumed for the bulk of cosmic rays above 8 × 10^{18} eV.

Extensive air showers’ (EAS) observables sensible to primary cosmic ray mass are a valuable asset in constraining competing astrophysical and particle physics scenarios proposed both to explaining cosmic rays features, such as their all-particle spectra, as well as their origin. These observables, however, need to be interpreted by comparison to EAS simulations, which are a source of great uncertainty. Shower simulations need to rely on a technique called thinning, an algorithm created to reduce computing time and storage requirement. In this work, we evaluate the effects of thinning over the muon production profile of an EAS simulation. For heavier particles it appears that thinned showers generate profiles with a deeper maximum, while results were not conclusive for protons and photon primaries. We investigate the thinning technique by constructing a toy model for shower simulations in which we have full control of the thinning implementation. To that end, we parameterized the energy distribution and particle production multiplicity from proton-air interactions and proton-pion interactions. However, we find that thinning effects over our model were too severe, rendering it impossible to draw further conclusions about its effects on full air showers simulations. / Observáveis sensíveis à composição de raios cósmicos primários em chuveiros atmosféricos extensos são um recurso valioso na constrição de cenários competidores em astrofísica e física de partículas, propostos tanto para explicar características dos raios cósmicos, como o espectro de energia de todas as partículas, quanto sua origem. Estes observáveis, no entanto, precisam ser interpretados por comparação a simulações de chuveiros atmosféricos, que constituem fonte de grandes incertezas. Simulações de chuveiros são dependentes de uma técnica chamada thinning, um algoritmo criado para reduzir o tempo de computação e exigências de armazenamento. Neste trabalho, nós avaliamos os efeitos do thinning sobre o perfil de produção de múons em uma simulação de chuveiro atmosférico. Para partículas mais pesadas, aparentemente, chuveiros sujeitos ao thinning geram perfis com máximos mais profundos, e para prótons e fótons nossas análises foram inconclusivas. Nós investigamos a técnica do thinning construindo um simulador de chuveiros simplificado, em que o total controle sobre a implementação do thinning é garantido. Para este fim, parametrizamos a distribuição de energia e a multiplicidade de partículas em interações de próton com o ar e de píons com o ar. Entretanto, descobrimos que o efeito do thinning sobre o nosso modelo era muito severo, tornando impossível concluir seus efeitos sobre simulações completas.

Os detectores de superfície do observatório Pierre Auger são tanques repletos de água e completamente escuros com sensores fotomultiplicadores instalados na parte interna. Quando as partículas carregadas de chuveiros atmosféricos atravessam a água com velocidade acima a da luz nesse meio, geram radiação ultravioleta devido ao efeito Cherenkov. Os sensores fotomultiplicadores desses detectores medem e convertem essa radiação em sinais elétricos que são enviados para a central de dados, registrando assim um evento. Alguns eventos apresentam comportamento incomum, caracterizado por apresentar mais de uma estrutura na série temporal, coincidentes em pelo menos dois detectores de superfície distantes. Esse trabalho se dedicou a investigar sobre as características e origens desses eventos. Devido ao grande número de dados registrados pelo Observatório Pierre Auger, foi preciso desenvolver uma ferramenta computacional para reconhecer e selecionar aqueles eventos que apresentam as estruturas desejadas de forma automática. Após, esse filtro, tentamos determinar um padrão buscando semelhanças ou tendências em variáveis dos chuveiros, como a energia e a direção de chegada. Em segunda análise olhamos para os eventos híbridos, chuveiros observados pelos detectores de superfície e pelos telescópios de fluorescência simultaneamente, de modo a analisar o desenvolvimento longitudinal do chuveiro. Na sequência, foram realizado algumas simulações de chuveiros para alguns dos eventos selecionados com o algoritmo desenvolvido. Esses eventos foram então reconstituídos, simulando uma detecção pelo observatório, com o intuito de determinar se a origem desse sinal anômalo está relacionada a uma resposta dos detectores. O último passo, foi analisar a razão entre a proporção de eventos selecionados e o número total de eventos observados em função da energia da partícula primária, o que revelou uma relação entre essas duas grandezas. / The surface detectors of Pierre Auger observatory are water filled tanks and completely dark with photomultiplier sensors installed indoors. When charged particles of air showers cross the water with velocities above that of light in this medium, ultraviolet radiation is generated due to the Cherenkov effect. The photomultiplier sensors of these detectors measure and convert this radiation into electrical signals that are sent to the data center, thus recording an event. Some events have unusual behavior, characterized by having more than one structure in its time series, coincident in at least two distant surface detectors. This work was dedicated to investigate the characteristics and origins of these events. Due to the large amount of data recorded by the Pierre Auger Observatory it was necessary to develop a computational tool to automatically recognize and select those events that present the desired structure type. After applying this filter, we tried to determine a pattern by looking for similarities or trends in air-shower variables, such as energy and direction of arrival. In a second analysis, we looked at the hybrid events, air showers observed by the surface detectors and the fluorescence telescopes simultaneously, in order to analyze the longitudinal development of air shower. In the sequence, we performed some simulations of air showers for some events selected with the developed algorithm. These events were then reconstituted, simulating a detection by the observatory for the purpose of determinin if the origin of this anomalous signal is related to a response of the detectors. The last step was to analyze the ratio between the proportion of selected events and the total number of events observed as a function of the energy of the primary particle, which revealed a relation between these two quantities.