Research of the highest energy cosmic ray particles is in the middle of the interest of theoretical and experimental physics. Their energies are several orders of magnitude higher than energies accessible at present accelerators. In this work, the reconstruction techniques of extensive air showers measured at the Pierre Auger Observatory are studied. For this purpose, extensive air showers are modelled in the simulation tool CORSIKA. Data collected at the Pierre Auger Observatory together with simulations are used to calculate resolutions of reconstruction methods. The Multiple--eye reconstruction is the main interest of this work. It can be used for independent verification of experimental results of the Observatory.

Après une description du LHC, de l'expérience Atlas et des systèmes calorimétriques à argon liquide, cette thèse montrera une étude qui vise à valider la simulation des gerbes électromagnétiques en utilisant des muons cosmiques. Nous discuterons ensuite de la reconstruction des pions neutres et de la cartographie de la matière dans le trajectographe interne en utilisant des photons convertis avec les premières données. Pour finir, nous présenterons les résultats obtenus concernant la recherche du boson de Higgs dans le canal H->ZZ->4l avec les données 2011 et une énergie √s=7TeV dans le centre de masse. / After a description of the LHC, the ATLAS experiment and the liquid argon calorimeter system, this thesis will show a study to validate the simulation of electromagnetic showers using cosmic muons. Then, we will discuss about neutral pion reconstruction and about the material mapping of the inner tracker using converted photons with the first data. Finally, we will present the results concerning the search for the Higgs boson in the H-> ZZ-> 4l channel with the 2011 data and a energy √s = 7TeV.

The Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02) is a high-energy particle physics detector operating on the International Space Station (ISS) since May 2011. Since its launch, the AMS-02 provided a large amount of data whose precision was never before achieved, opening a new path for the study of cosmic rays (CRs). The first published results of AMS-021-3 show tension with the current understanding of the cosmic ray theory, particularly at higher energies. These tensions are directly linked to many fundamental questions like the dark matter nature, the CR origin and their propagation through the galaxy. This work presents the measurement of the electron flux and the positron flux in primary cosmic rays, based on the data collected between May 2011 and November 2016, an extended data set with respect to the published AMS-02 results.3 The results extend the energy range explored up to 1 TeV for electrons and up to 700 GeV for positrons, being consistent with the published results when using the same data set. A discrepancy between the new measurement and the published flux is observed in the low energy region of the electron flux, while the positron flux is in good agreement. This can be explained by a charge dependent solar modulation effect. This hypothesis was investigated by studying the time evolution of the fluxes, focusing on the energy region below 40 GeV, where an electron and positron flux is computed over 74 time bins of 27 days width, corresponding to the suns rotation period as seen from the Earth. The time dependent analysis confirms hints of charge dependent solar modulation, that are also observed by other independent analysis that have been carried out in parallel within the collaboration. / O Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02) é um experimento de física de partículas instalado na Estação Espacial Internacional (ISS) desde Maio de 2011. Desde seu lançamento, AMS-02 coleta uma quantidade de dados com tal precisão que até então nunca foram jamais vistos, abrindo o caminho para o estudo dos Raios Cósmicos (CRs). Os primeiros resultados publicados pelo AMS-021-3 apresentam tensões com o modelo atual da teoria de CRs, particularmente nas altas energias. Essas tensões são diretamente ligadas a diversas questões fundamentais como a natureza da Matéria Escura (DM), a origem dos CRs e suas propagações pela galáxia. Este trabalho apresenta a medição do fluxo de elétrons e pósitrons em CRs primários, baseando-se nos dados coletados entre Maio de 2011 e Novembro de 2016, período extendido com relação aos resultados públicados pelo AMS-02.3 Os resultados extendem o intervalo de energia explorado para 1 TeV para elétrons e 700 GeV ára pósitrons, consistentes com os resultados públicados usando o mesmo período. Discrepância entre a nova medição e o fluxo públicado é observada na região de baixas energias para o fluxo de elétrons, enquanto o fluxo de pósitrons continua em bom acordo. O resultado pode ser explicado por uma dependência na carga causada pela modulação solar. Tal hipótese é investigada estudando-se a evolução temporal dos fluxos, focando-se no intervao de energia abaixo de 40 GeV, onde um fluxo de elétrons e pósitrons é medido durante 74 intervalos temporais de 27 dias, correspondendo à rotação do sol vista da Terra. A análise dependente do tempo confirma a existência da dependência de carga da modulação solar, também observada por outras análises independentes que foram feitas dentro da colaboração.

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 hierarquia de equações de Boltzmann que descreve a temperatura e polarização da radiação cósmica de fundo ´e tratada no espaço das posições. Mostramos neste formalismo que temperatura e polarização podem ser descritas como medias dos termos de fonte ponderados por probabilidades associadas a um problema de voos aleatórios. Decorre da estrutura geral da hierarquia que se pode fazer uma expansão da temperatura e polarização em termos do numero de espalhamentos ocorridos durante a recombinação. Incorporamos o efeito de lentes gravitacionais sobre a radiação cósmica de fundo tirando proveito da estrutura das equações no espaço das posições. Mostraremos que o efeito ´e incorporado através de correções aos coeficientes da decomposição angular dos campos de temperatura e polarização. Para descrever o efeito de lentes gravitacionais fazemos uma revisão sobre resultados formais da teoria e apresentamos uma derivação de equações centrais em espaços-tempo arbitrários. / The Boltzmann hierarchy describing the temperature and polarization of the cosmic microwave background is presented in a position space formalism. We show that temperature and polarization can be described in terms of averages over source terms weighted by probabilities densities that appear in problems of random flights. The temperature and polarization signals can be expanded in terms of the number of scatterings photons suffered during the recombination. The gravitational lensing effects are incorporated over the free-propagation phase of the CMB photons. This effect can be included in the position space formalism as a correction to the expansion coefficients of the temperature and polarization fields. The bases of the theory of gravitational lensing are also presented and a rederivation of the central equations of the theory in arbitrary spacetimes is here developed.

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.

The XX century witnessed the quantum and relativistic revolutions in physics. The development of these two theories, namely, Quantum Mechanics and Relativity, was the inception of many crucial discoveries and technological advances. Among them, one stands out due to its uniqueness, the neutrino discovery. However, several neutrino properties are still obscure. Neutrinos are the only fundamental particles whose nature is currently unknown. Such fermions can either be different from their antiparticles, i.e., Dirac fermions, or be their own antiparticles, that is, Majorana fermions. On the other hand, the smallness of neutrino masses is a problem seemingly related to the neutrino nature; thus, as essential task consists in addressing the phenomenologically viable models in both cases. Furthermore, it is important to search for other physical process in which the neutrino nature may manifest through different experimental signatures. A rather difficult but promising method corresponds to the detection of the cosmic neutrino background, viz. neutrinos which are relics from the Big Bang. Previous works have shown that detection rates for Dirac and Majorana neutrinos can give different results. Nevertheless, this distinction was obtained considering the Standard Model framework only. Therefore, it is important to understand the consequences of having Non-Standard Interactions contributing to the detection of neutrinos from the cosmic background. Another remarkable relic predicted by Cosmology is the unidentified Dark Matter, composing ~25% of the Universe. All searches regarding the Weakly Interacting Massive Particle, one of the principal candidates for Dark Matter, have given negative results; this has compelled experiments to increase their sensitivity. Notwithstanding, neutrinos may stand in the way of such experimental searches given that they may constitute an irreducible background. In this thesis, we will address these three different phenomena, neutrino mass models, detection of the cosmic neutrino background and the neutrino background in Dark Matter searches, by considering the different characteristics in each case. In the study of neutrino mass models, we will consider models for both Majorana and Dirac neutrinos; specifically, we will probe the neutrinophilic two-Higgs-doublet model. Regarding the detection of relic neutrinos, we will analyse the consequences of the existence of the beyond Standard Model physics in the capture rate by tritium. Finally, we will scrutinize the impact of neutrinos in Direct Detection WIMP searches, by considering Standard Model plus additional interactions in the form of simplified models. / Ao longo do século XX testemunhamos as revoluções quântica e relativista que aconteceram na Física. O desenvolvimento da Mecânica quântica e da teoria da relatividade foi o prelúdio de inúmeras descobertas e avanços tecnológicos fundamentais; em particular, a descoberta dos neutrinos. No entanto, a sua total compreensão ainda é um mistério para a física de partículas. Entendidos como partículas fermiônicas fundamentais, os neutrinos possuem sua natureza desconhecida. Podendo ser diferentes de suas antipartículas, denominadas férmions de Dirac, ou também podendo ser as suas próprias antipartícula, sendo conhecidas como férmions de Majorana. Por outro lado, o valor de sua massa continua sendo um problema em aberto, supostamente relacionado à sua natureza. Portanto, é importante estudarmos modelos fenomenológicos viáveis para as duas naturezas possíves dos neutrinos. Além disso, é necessário procurar outros processos físicos cujos resultados experimentais sejam distintos de acordo com a natureza do neutrino. Um método bastante difícil, mas promissor, corresponde à detecção do fundo de neutrinos cósmicos, isto é, os neutrinos relíquia do Big Bang. Análises prévias mostraram que as taxas de detecção para neutrinos de Dirac e de Majorana resultam em valores distintos. Porém, este resultado foi obtido supondo como base o Modelo Padrão; assim, é crucial entender as possíveis consequências da existência de interações desconhecidas na detecção dos neutrinos da radiação cósmica de fundo. Outra relíquia notável prevista pela Cosmologia é a desconhecida Matéria Escura, que compõe ~25% do Universo. Todas as buscas por WIMPs (do inglês Weakly Interactive Massive Particles), um dos principais candidatos a Matéria Escura, tem dado resultados negativos. Isto tem forçado a criação de experimentos cada vez mais sensíveis. Contudo, os neutrinos poderão ser um obstáculo nessas buscas experimentais, pois estes convertir-se-ão em um fundo irredutível. Na presente tese, abordaremos estes três fenômenos diferentes, modelos de massa para os neutrinos, a detecção do fundo de neutrinos cósmicos e o fundo de neutrinos em experimentos de detecção direta de Matéria Escura, considerando as distintas características em cada caso. No estudo dos modelos de massa para os neutrinos consideraremos modelos para neutrinos de Majorana e Dirac; exploraremos modelos neutrinofílicos com dois dubletos de Higgs. Enquanto à detecção dos neutrinos relíquia, analisaremos as consequências da presença de física além do Modelo Padrão na taxa de captura pelo trítio. Finalmente, examinaremos o impacto dos neutrinos em experimentos de detecção direta de WIMPs, supondo as interações do Modelo Padrão junto com interações adicionais na forma de modelos simplificados.

Submitted by admin tede (tede@pucgoias.edu.br) on 2017-03-09T19:17:49Z No. of bitstreams: 1 LUIZ HUMBERTO CARRIÃO.pdf: 1385634 bytes, checksum: c903b8193a06180b01a63bb07064c960 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-03-09T19:17:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 LUIZ HUMBERTO CARRIÃO.pdf: 1385634 bytes, checksum: c903b8193a06180b01a63bb07064c960 (MD5) Previous issue date: 2016-12-20 / The goal of this research is to investigate the new aspects contained in the Christological view of the Brazilian philosopher Huberto Rohden about the central character of the Gospels – Jesus Christ – for whom, the Cosmic Christ, the Word or Logos described in the fourth Gospel is the first and most perfect individual manifestation the Universal Deity, God; and, the Telluric Christ, Jesus of Nazareth, the visible vehicle of the invisible Christ who, through Mary, lived among us, and who may have become personified in other parts of the Earth and the Universe. / A pesquisa tem como objetivo investigar a novidade contida na visão cristológica do filósofo brasileiro Huberto Rohden acerca do personagem central dos Evangelhos - Jesus Cristo - para quem, o Cristo Cósmico, o Verbo ou Logos descrito no quarto Evangelho, é a primeira e a mais perfeita manifestação individual da Divindade Universal, Deus; e, o Cristo Telúrico, Jesus Nazareno, o veículo visível do Cristo invisível, que através de Maria habitou entre nós, com a potencialidade de habitar em nós, e que, como Cristo, pode ter-se personificado em outras partes da Terra e do Universo.

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.

Ce travail de thèse présente la pensée de Grégoire de Nysse sur la corrélation entre le cosmos et l’homme. La recherche a pour ambition d’expliquer et de comprendre la conception grégorienne de la création et l’interprétation du rôle de l’homme dans la création pour voir si elle apporte ou non un complément potentiel au débat contemporain sur la crise écologique. Il s’avère que cette problématique contemporaine conduit à renouveler notre regard sur les textes de Grégoire et à dégager ses réflexions sur un mode de comportement envers la création, propre à sa vision théologique de Grégoire. L’analyse des concepts concernant le cosmos et l’homme démontre une bipolarité de leurs relations possibles, qui s’exprime dans l’idée d’ontologie et d’éthique cosmique. L’éthique semble alors être la liberté vécue de l’homme sur cette terre, avec pour résultat le principe agissant de son rapport avec le reste de la création au cours de sa vie. D’après Grégoire, l’approche humaine en ce qui concerne l’environnement n’est qu’une question de liberté de choix qui pourtant marque le cheminement de l’homme vers la nouvelle création, celle créée par le Christ. / This thesis presents Gregory of Nyssa’s point of view about the relation between man and the cosmos. The current analysis aims to understand and explain Gregory’s concept of creation and the way this concept perceives the role of the human in the creation; this is in order to verify if it makes any eventual addition to the contemporary debate on ecological crises. Actually, this contemporary problematic contributes in renewing our view on Gregorian texts and shows a way of behaviour towards the nature/creation itself in accordance with the theological vision of Gregory. The analysis of concepts concerning the human and the cosmos stresses a twofold relation between them, expressed through the idea of ontology and cosmic ethics. In this case ethics seem to be the experimental liberty of man on this earth and as a consequence, the active principle of the relation with the rest of the creation in the frame of life. According to Gregory, the human approach towards the environment is only a question of free will which nevertheless determines the way of man to the new creation established by Christ.