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<p dir="ltr"> This article-based dissertation provides an account of two distinct classes of expansive astrophysical outflows and techniques to interpret their observations using numerical modeling. The primary purpose of this dissertation is to provide an extensive description of the research projects I undertook during my tenure as a Graduate Research Assistant, under the guidance of my advisor Prof. Paul Duffell.</p><p dir="ltr">Chapter 1 provides a brief introduction to numerical hydrodynamics and techniques of modeling expanding flows numerically. I also introduce the aforementioned classes of astrophysical outflows, namely relativistic jets from Active Galactic Nuclei (AGN), and supernova remnants (SNRs). I provide a general overview of the theoretical picture, and the general strategy used in this work to model them.</p><p dir="ltr">Chapter 2 describes my investigation on the connection of kiloparsec scale AGN jet properties to their intrinsic parameters and surroundings, based on an article published in The Astrophysical Journal. Using a suite of over 40 relativistic hydrodynamic jet models, we find that the dynamics of relativistic jets can be described in terms of only two parameters, the jet to ambient medium energy density ratio, and the jet opening angle. The former is found to strongly control the Fanaroff-Riley (FR) morphological dichotomy, which was previously thought to be tied to the magnitude of the jet luminosity. We also suggest a purely hydrodynamical origin of bright spots observed in some AGN jets. Our models were tested against and found to be consistent with the observations of the jets in M87 and Cygnus A.</p><p dir="ltr">In chapter 3, I present my moving-mesh hydrodynamics code Sprout, also described in an article published in The Astrophysical Journal Supplements. Sprout solves the equations of ideal hydrodynamics on an expanding Cartesian mesh. The expanding mesh can follow fluid outflows for several orders of magnitude with very little numerical diffusion. This allows Sprout to capture expanding flows with very high dynamic range. Sprout is thus particularly suitable for studying expanding outflows such as supernova remnants and active galactic nuclei. Relative to other moving mesh codes, the simple mesh structure in Sprout is also convenient for implementing additional physics or algorithms. I discuss many code tests that were performed to test the accuracy and performance of the numerical scheme.</p><p dir="ltr">Chapter 4 details my study of hydrodynamic instabilities in supernova remnants (SNRs) as they expand against the circumstellar medium (CSM). This is based on an article published in The Astrophysical Journal. A suite of 3D hydrodynamical SNR models, generated using my hydro code \sprout, was used to study the impact of the stellar ejecta density profile and seed anisotropies in the ejecta and the CSM on formation of turbulent structures in the SNRs. We found that most of the turbulent power in these models resides at a typical angular mode or scale that is determined by the ejecta density structure. It was also found that clumps or anisotropies in either the ejecta or CSM do not imprint upon these turbulence structures unless they are massive and form large-scale coherent structures.</p><p dir="ltr">In chapter 5, I discuss the implementation of a technique to measure anisotropies in observed SNRs just using 2D high-resolution images. This technique is calibrated using 3D hydro SNR models and synthetic images derived from them. As seen in Chapter 4, we find a similar dominant angular scale of turbulent structures dictated by the ejecta density structure. Both the 3D models and the synthetic images yield the same value of this scale, which validates the image analysis technique used in this work. As an example of how this technique can be applied to observations, we analyze observations of a known supernova remnant (Tycho's SNR) and compare with our models. Our technique picks out the angular scale of Tycho's fleece-like structures and also agrees with the small-scale power seen in Tycho.</p><p dir="ltr">PhChapter 6 summarizes the results, conclusions, and future prospects of all the research work described so far. It is followed by a bibliography, my curriculum vita, and a list of publications.</p>

O conhecimento sobre a composição de raios cósmicos de altas energias é fundamental na abordagem da maior parte das grandes questões referentes à astrofísica de altas energias. Entretanto, do ponto de vista experimental, determinar o tipo de partícula medida nesse regime de energia ainda é um enorme desafio e essa tarefa tem recebido especial atenção por parte das colaborações responsáveis pelos experimentos em atividade. A principal dificuldade está no fato das medidas serem realizadas indiretamente através das cascatas de partículas formadas a partir da interação do raio cósmico inicial com átomos da atmosfera, os chamados chuveiros atmosféricos. Entre os principais experimentos em funcionamento, o Observatório Pierre Auger se destaca por ter a maior área de detecção (3000 km2) e por utilizar pioneiramente um sistema híbrido de detecção, com detectores de superfície e de fluorescência funcionando simultaneamente. Os telescópios de fluorescência medem o número de partículas do chuveiro em função da profundidade, o que chamamos de perfil longitudinal. Alguns parâmetros extraídos desse perfil são sensíveis à composição das partículas primárias. No presente trabalho, aplicamos métodos estatísticos novos aos dados extraídos dos perfis longitudinais de chuveiros medidos pelo Auger com o objetivo de inferir informações sobre a massa média, ou seja, a composição dos raios cósmicos. A primeira análise apresentada é baseada no parâmetro XMax. A evolução do valor médio de XMax com a energia contém informações sobre a composição inicial. Com o objetivo de eliminar vieses experimentais, corrigindo os efeitos dos detectores, aplicamos métodos de deconvolução às distribuições de XMax. A segunda análise é do tipo multiparamétrica e aplica redes neurais do tipo Multilayer Perceptrons a outros parâmetros extraídos dos perfis longitudinais. A partir desse procedimento é possível obter informações sobre a composição média das partículas e também reconstruir a energia dos eventos. / The knowledge about high energy cosmic rays composition is fundamental to approach most of the big questions regarding high energy astrophysics. However, from the experimental point of view, to determine the kind of the measured particle in this energy range is still a huge challenge and this task has received special attention from the collaborations responsible for running the experiments in activity. The main difficulty is on the fact that the measurements are made indirectly by the secondary particles cascades formed by the interaction of primary particles with atmosphere atoms, which are called air showers. Among the main experiments in operation, Pierre Auger Observatory has the larger collecting area (3000 km2) and uses a pioneer hybrid detection system, with surface detectors and fluorescence telescopes working simultaneously. The fluorescence telescopes measure the number of particles in the shower as a function of atmospheric depth, which we call longitudinal profiles. Some parameters extracted from these profiles are sensitive to primary composition. In this study, we applied new statistical methods to the data from longitudinal profiles measured by the Pierre Auger Observatory aiming to infer information about the mean mass, in other words, the composition of cosmic rays. The first analysis shown (chapter 4) is based on the known parameter called XMax. The evolution of XMax mean value with energy contains information about primary composition. Unfolding methods have been applied to the XMax distribution in order to minimize experimental bias and to correct detector effects. The second analysis shown is of the multi-parametric type and applies neural networks of the Multilayer Perceptrons class to longitudinal profiles parameters. From this procedure, it is possible to obtain information about average composition and to reconstruct the energy of events.

O conhecimento sobre a composição de raios cósmicos de altas energias é fundamental na abordagem da maior parte das grandes questões referentes à astrofísica de altas energias. Entretanto, do ponto de vista experimental, determinar o tipo de partícula medida nesse regime de energia ainda é um enorme desafio e essa tarefa tem recebido especial atenção por parte das colaborações responsáveis pelos experimentos em atividade. A principal dificuldade está no fato das medidas serem realizadas indiretamente através das cascatas de partículas formadas a partir da interação do raio cósmico inicial com átomos da atmosfera, os chamados chuveiros atmosféricos. Entre os principais experimentos em funcionamento, o Observatório Pierre Auger se destaca por ter a maior área de detecção (3000 km2) e por utilizar pioneiramente um sistema híbrido de detecção, com detectores de superfície e de fluorescência funcionando simultaneamente. Os telescópios de fluorescência medem o número de partículas do chuveiro em função da profundidade, o que chamamos de perfil longitudinal. Alguns parâmetros extraídos desse perfil são sensíveis à composição das partículas primárias. No presente trabalho, aplicamos métodos estatísticos novos aos dados extraídos dos perfis longitudinais de chuveiros medidos pelo Auger com o objetivo de inferir informações sobre a massa média, ou seja, a composição dos raios cósmicos. A primeira análise apresentada é baseada no parâmetro XMax. A evolução do valor médio de XMax com a energia contém informações sobre a composição inicial. Com o objetivo de eliminar vieses experimentais, corrigindo os efeitos dos detectores, aplicamos métodos de deconvolução às distribuições de XMax. A segunda análise é do tipo multiparamétrica e aplica redes neurais do tipo Multilayer Perceptrons a outros parâmetros extraídos dos perfis longitudinais. A partir desse procedimento é possível obter informações sobre a composição média das partículas e também reconstruir a energia dos eventos. / The knowledge about high energy cosmic rays composition is fundamental to approach most of the big questions regarding high energy astrophysics. However, from the experimental point of view, to determine the kind of the measured particle in this energy range is still a huge challenge and this task has received special attention from the collaborations responsible for running the experiments in activity. The main difficulty is on the fact that the measurements are made indirectly by the secondary particles cascades formed by the interaction of primary particles with atmosphere atoms, which are called air showers. Among the main experiments in operation, Pierre Auger Observatory has the larger collecting area (3000 km2) and uses a pioneer hybrid detection system, with surface detectors and fluorescence telescopes working simultaneously. The fluorescence telescopes measure the number of particles in the shower as a function of atmospheric depth, which we call longitudinal profiles. Some parameters extracted from these profiles are sensitive to primary composition. In this study, we applied new statistical methods to the data from longitudinal profiles measured by the Pierre Auger Observatory aiming to infer information about the mean mass, in other words, the composition of cosmic rays. The first analysis shown (chapter 4) is based on the known parameter called XMax. The evolution of XMax mean value with energy contains information about primary composition. Unfolding methods have been applied to the XMax distribution in order to minimize experimental bias and to correct detector effects. The second analysis shown is of the multi-parametric type and applies neural networks of the Multilayer Perceptrons class to longitudinal profiles parameters. From this procedure, it is possible to obtain information about average composition and to reconstruct the energy of events.

Title: Study of Cosmic-Ray Acceleration in Extragalactic Objects Author: Stanislav tefnik Department: Institute of Particle and Nuclear Physics Supervisor: RNDr. Dalibor Nosek, Dr. Abstract: This thesis deals with production processes of cosmic γ-rays in astro- physical objects and methods of their detection. Possible interactions leading to the emission of high energy γ-rays in the active galaxy Centaurus A are discussed in this context. Cherenkov Telescope Array is presented as a new experiment fo- cused on the detection of air showers initiated by cosmic γ-rays. Cherenkov light of air showers is studied in the simulations done by CORSIKA simulation tool. Method of data analysis within the framework of Cherenkov telescopes is descri- bed and performed on the dataset of the active galaxy PKS 2155-304. The results include statistical tests of γ-ray source presence and its time variability. Keywords: Cosmic rays, gamma rays, astroparticle physics, high energy astro- physics, acceleration, CTA experiment

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.

Extensive air showers&rsquo; (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.

Orientador: José Augusto Chinellato / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-09-02T17:59:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Kuno_YugoMafra_M.pdf: 3634635 bytes, checksum: afd1f210608c9cb926532d441cade068 (MD5) Previous issue date: 2017 / Resumo: O fluxo de raios cósmicos de ultra-alta energia (superiores a 10^18 eV) que chega ao topo da atmosfera é baixo, tal que torna-se necessário estudar em detalhes os chuveiros atmosféricos extensos de modo a se determinar a composição e a energia da partícula primária. Dispõe-se de algoritmos que simulam processos de QED e QCD, e descrevem a difusão das partículas na atmosfera, fornecendo o estado (x, p, id, t) de cada uma. Entretanto, é também necessário parametrizar as funções que descrevem sua distribuição ao longo da cascata atmosférica. O método da entropia máxima (MEM) permite que se parametrize a distribuição de partículas em função dos momentos estatísticos esses perfis, que são menos afetados pelo ruído. A maximização da entropia também permite que a distribuição seja inferida minimizando o enviesamento que ocorre, por exemplo, no ajuste de curvas tradicionalmente realizado. No presente trabalho foi estudada aplicação do MEM na análise do perfil longitudinal das componentes eletrônica e muônica geradas por simulação no CORSIKA, já conhecendo as características da partícula primária, de forma a avaliar os benefícios dessa metodologia no estudo de chuveiros atmosféricos / Abstract: The flux of ultra-high energy cosmic rays (above 10^18 eV) that reach the upper atmosphere is low, so that it is necessary to thoroughly study air showers in order to determine the composition and energy of the primary particle. There are algorithms that simulate QED and QCD processes, and track the particle diffusion in the atmosphere, providing the state (x, p, id, t) of each one. Still, it is also necessary to parameterize the functions that describe its distribution throughout the atmospheric cascade. The maximum entropy method (MEM) allows the parameterization of the particle distribution with the statistical moments as variables, which are less affected by noise. The maximum entropy also allows the inference of the distribution minimizing the bias, which is high in inference processes such as the traditional curve fitting. The application of MEM in the analysis of the longitudinal profile of the electronic and muonic components generated by simulation with CORSIKA was the object of study in this research work, having as a prior the characteristics of the primary particle, in order to evaluate the benefits of the method in the study of air showers / Mestrado / Física / Mestre em Física / CAPES