De nombreuses observations astrophysiques indiquent l'existence de grandes quantités de masse manquante dans l'Univers, et ce de l'échelle galactique à l'échelle cosmologique. Découvrir la nature de cette masse invisible constitue le problème de la matière noire, qui apparaît comme l'un des enjeux majeurs de la physique moderne. Cette thèse s'inscrit dans le contexte de la détection indirecte de matière noire. Cette dernière serait composée de nouvelles particules élémentaires, dont les produits d'annihilation pourraient être observés dans le rayonnement cosmique. Nous étudions dans ce travail deux des canaux de recherche les plus prometteurs : les photons gamma et les anti-noyaux.Les objets astrophysiques permettant de placer les meilleures contraintes actuelles en rayons gamma sont les galaxies naines sphéroïdes (dSphs) de la Voie Lactée. La première partie de notre travail a été consacrée à contraindre les facteurs J d'annihilation de ces objets, qui quantifient l'amplitude des flux gamma attendus. Nous avons pour cela mis au point une configuration optimisée d'analyse de Jeans, pour reconstruire les profils de densité de matière noire et leurs incertitudes à l'aide des données cinématiques stellaires. Notre configuration a été obtenue à l'aide de tests systématiques sur de très nombreuses dSphs simulées, et nous l'avons appliquée à vingt-trois dSphs de la Voie Lactée. La seconde partie de notre travail a consisté à mener une recherche de noyaux d'anti-hélium dans les données collectées par l'expérience AMS-02 sur la Station Spatiale Internationale. Nous avons pour cela mis au point une classification par arbres de décision boostés, et notre analyse préliminaire a permis d'obtenir les meilleures contraintes actuelles sur les rapports anti-hélium sur hélium. / Many astrophysical observations suggest the existence of large amounts of missing mass in the Universe, from the galactic to the cosmological scale. Discovering the nature of this invisible mass forms the dark matter problem, which appears as one of the major challenges of modern physics. This thesis is established in the context of indirect detection of dark matter. The latter could consist of new elementary particles, whose annihilation products may be observed in cosmic rays. We study in this work two of the most promising research channels!: gamma-rays and anti-nuclei.The best constraints on dark matter properties from gamma-ray observations come from the dwarf spheroidal galaxies (dSphs) of the Milky Way. The first part of our work was devoted to computing the annihilation J-factors of these objects, which quantify the magnitude of the expected gamma-ray flux. We have developed an optimized Jeans analysis setup in order to reconstruct the dark matter density profiles of these objects and their associated uncertainties, using stellar kinematic data. Our optimized setup was obtained using systematic tests on numerous simulated dSphs, and we applied it to twenty-three dSphs of the Milky Way. The second part of our work was dedicated to the search for anti-helium nuclei in the cosmic ray data collected by the AMS-02 experiment on the International Space Station. We have developed a classification method using boosted decision trees, and our preliminary analysis has led to the best constraints to date on the anti-helium to helium ratio.

AMS-02 est un spectromètre magnétique conçu pour la détection du rayonnement cosmique chargé et des photons gamma. La mesure en 2013 de la fraction de positons par AMS-02 a confirmé la présence d'une composante de positons primaires, nécessitant l'existence d'une source de positons dans notre Galaxie. Cette thèse s'est exclusivement consacrée à l'étude de ce phénomène, et à la recherche de cette source de positons. La fraction de positons, le flux de positons et le flux d'électrons sont mesurés à l'aide d'une méthode de fit multidimensionnel mis au point lors de cette thèse. Une étude particulière est réservé au phénomène de confusion de charge, important pour la mesure du signe de la charge à haute énergie. La fonction de réponse instrumentale du détecteur est évaluée à l'aide de simulations Monte Carlo et est corrigée par les données réelles du détecteur. Un travail phénoménologique est effectué afin d'interpréter les résultats mesurés. L'interprétation de ces résultats en termes de composante primaire issues d'un pulsar local et du halo galactique de matière noire est effectué. Les implications et l'espace des paramètres autorisé pour chacun des modèles est explicité. Une ré-évaluation des secondaires à l'aide des nouvelles données d'AMS-02, ainsi que l'étude de l'impact de l'erreur expérimentale d'AMS-02 sur ces résultats, est exécuté. / AMS-02 is a magnetic spectrometer design for the cosmic ray and gamma ray detection. The measurement in 2013 of the positron fraction by AMS-02 confirmed the presence of a primary positron component, which means the existence of a galactic primary source of positrons. This thesis is devoted exclusively to the study of this phenomenon. The positron fraction, the positron flux, and the electron flux are measured using a method of multidimensional fit developed during this thesis. The charge confusion phenomenon, which is important at the highest energies, is investigated. The instrumental response function of the detector is evaluated using Monte Carlo simulations and is corrected using the ISS data. A phenomenological work is done to interpret the measured results. The interpretation of these results in terms of primary component from a local pulsar and dark matter halo is done. The implications and the parameter space allowed for each model is detailed. A reevaluation of secondaries with the new AMS-02 data, and the study of the impact of the experimental error of AMS-02 on these results is performed.

Près d'un siècle après leur découverte, les rayons cosmiques sont encore sujets à de nombreuses interrogations. À ultra-haute énergie (UHE), leur nature, leur origine et leur mécanisme de production restent encore inconnus malgré les avancées expérimentales. L'observatoire Pierre Auger est actuellement l'expérience incontournable pour tenter de répondre à ces questions. Dans ce contexte, l'étude et la recherche de neutrinos à UHE sont susceptibles d'apporter des informations encore manquantes au puzzle des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie, notamment quant à leur mécanisme de production ou leur origine. C'est dans ce cadre que s'inscrit cette thèse, centrée sur la recherche de neutrinos à UHE à l'observatoire Pierre Auger et plus particulièrement sur l'étude des neutrinos arrivant sous l'horizon (i.e. à incidence rasante) et interagissant dans la croûte terrestre. Dans une première partie, le contexte phénoménologique et expérimental dans lequel s'inscrit cette thèse est introduit. Dans une seconde partie, nous présenterons tout d'abord notre étude des incertitudes systématiques sur les modèles d'interactions à UHE des neutrinos et des leptons tau à travers une analyse revisitée des neutrinos tau à incidence rasante. Cette étude s'inscrit dans le cadre de la combinaison des résultats des différents canaux de détection de l'observatoire qui a permis de poser une limite compétitive sur les flux de neutrinos à UHE, au delà de la limite de Waxman et Bahcall. Nous présenterons ensuite notre travail effectué sur les neutrinos électroniques à incidence rasante. Ces derniers engendrent, en interagissant dans la croûte terrestre, des gerbes électromagnétiques souterraines soumises à l'effet LPM (Landau, Pomeranchuk et Migdal) qui entraîne un retard de leur développement et augmente leur probabilité de détection. Une chaîne complète de simulation de ce canal a été développée afin d'évaluer la sensibilité de l'observatoire à ces évènements. Enfin, dans le cadre de propositions d'améliorations de l'observatoire en vue d'accroître ses performances à partir de 2015, nous présentons l'étude que nous avons effectuée sur l'impact d'une nouvelle électronique d'acquisition et de nouveaux modes de déclenchements sur l'efficacité de détection des neutrinos à incidence rasante par les stations du réseau au sol. / Nearly one century after their discovery, cosmic rays are still subject to many questions. In particular at ultra-high energy (UHE) where their nature, origin and production mechanism are still unknown despite numerous experimental advances. The Pierre Auger observatory is currently the key experiment to try to answer these questions. In this context, the search for UHE neutrinos remains a major challenge for astroparticle physics. Their study is likely to bring informations that are still missing to the ultra-high energy cosmic ray puzzle regarding their origin and production mechanism. This thesis focuses on the search for UHE neutrinos at the Pierre Auger observatory and particularly on neutrinos arriving below the horizon (i.e. earth skimming) and interacting in the earth crust. In a first part, the phenomenological and experimental context is introduced. In a second part, we first present our study of systematic uncertainies on interactions models of UHE neutrinos and tau lepton through a revisited analysis of earth skimming tau neutrinos in the context of the combination of the results of the different observatory's detection channels. This combination allowed to put a competitive limit on the UHE neutrinos flux, beyond the Waxman and Bachal limit. We will then show our work on earth skimming electron neutrinos. They produce, by interacting in the earth crust, underground electromagnetic showers subject to the LPM (Landau, Pomeranchuk and Migdal) effet which causes a delay in their development and increaase their detection probability. A complete simulation chain of this channel was developed in order to estimate the sensitivity of the observatory to such events. Finally, in the context of proposals to upgrade the observatory in order to improve its performance beyond 2015, we present the study we have performed about the impact of a new acquisition electronic and new triggers on the earth skimming neutrinos detection efficiency by the stations of the ground array.

Orientador: Prof. Dr. Marcelo Augusto Leigui de Oliveira / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Física, 2016. / We present in this work studies on ultra-high energy cosmic rays using the air- uorescence detection technique. The research main objective consists in event reconstructions from a fluorescence telescope, such that a simulation code has been developed taking into account the physical processes involved in the generation and the propagation of uorescence photons from an extensive air shower to a telescope. The secondary particles of air showers has been previously obtained using CORSIKA code for dierent primary energies and compositions. Furthermore, the photon generation has been calculated using Bethe and Bloch equation for the energy loss of electrons and positrons in air and the uorescence yield parameterized with air conditions at given altitudes. The attenuation of photons towards the telescope has been calculated for Rayleigh and Mie scatterings. With the developed simulation, it was possible to study the dependence of the shower maximum depth in the atmosphere, considering dierent experimental congurations for the telescopes used in the Pierre Auger Observatory, Telescope Array and MonRAt. Finally, the reconstruction of the geometric parameters of cosmic rays has been performed by the determination of the arrival directions and the angular reconstruction limits.

La formation et l'activité des objets compacts, tels que Trous Noirs ou étoiles à Neutrons, s'accompagne couramment d'éjection de matière ionisée sous forme de jets à la vitesse proche de celle de la lumière (vitesses relativistes). Se propageant dans le milieu environnant, par exemple Milieu Interstellaire, ces jets conduisent inéluctablement à la formation d'ondes de choc relativistes. Une forte turbulence magnétique et une population d'électrons accélérés sont requises afin de tenir compte de l'émission radiative non-thermique de ces chocs. L'approche naturelle de ce problème, décrivant de manière auto-consistante la structure du choc non-collisionnel, est celle de la physique cinétique des plasmas en régime relativiste. L'aspect essentiel de cette approche est l'étude du précurseur du choc, sous forme d'un faisceau de protons très énergétiques. Un ensemble d'instabilites plasma y prend lieu et dissipe l'energie du choc sous forme de micro-turbulence électromagnétique, électrons chauffés et particules accélérées. Ce cadre conceptuel emmène à reconsidérer le processus de transport de particules charges autour du choc. Deux études indépendantes, effectuées pendant la thèse, montrent que les lois de diffusion en aval et amont du choc se mettent sous une forme concise, en loi de puissance en fonction de l'énergie des particules et de l'intensité de la micro-turbulence magnétique. Les lois de diffusion, dérivées à l'aide des simulations Monte-Carlo et analytiquement, chiffrent l'énergie maximale des protons accélérés au choc à 10^15 eV, si le facteur de Lorentz du choc est très grand devant 1. Cette limite se situe loin de l'énergie maximale des Rayons Cosmique et rend les chocs relativistes comme accélérateurs de particules inefficaces aux énergies les plus extrêmes. Le rayonnement, issu de l'accélération des électrons, atteint plusieurs GeV et corrobore l'idée que les chocs externes des Sursauts Gamma peuvent émettre à de telles énergies. L'approche alternative de l'étude des chocs, simulations Particle-In-Cell, m'as permis d'étudier la formation, structuration et évolution des chocs modérément relativistes dans une géométrie spatiale 1D. L'auto-reformation du front d'un choc perpendiculaire, connue dans le régime non-relativiste, persiste dans le régime moyennement relativiste et exhibe un front de choc non-stationnaire. A magnétisation basse, les électrons sont préchauffés dans le pied du choc par l'instabilité de Buneman entre protons réfléchis et électrons incidents, mais leur température en aval du choc reste plus faible que celle des protons. A magnétisation croissante, l'instabilité Maser Synchrotron devient essentielle dans la structuration du front de choc, avec émission d'un fort précurseur électromagnétique a partir du front de choc. Dans ce cas les électrons se mettent en équipartition avec les protons. Ces simulations 1D ne montrent pas d'évidence d'accélération des particules et des simulations 2D (3D) sont nécessaires. / The formation and activity of compact objects such as Black Holes and Neutron Stars results in the ejection of ionized matter in the form of jets with velocities close to $c$ (relativistic). The interaction of such powerful jets with the external medium forms shocks, eventually relativistic.A strong self-g???enerated magnetic micto-turbulence and a population of accelerated electron are required to explain the observed non-thermal radiation of these shocks. A natural approach to the study of the structure of a non-collisionnal shock involves kinetic treatement of plasma processes in the relativistic limit. This approach is adopted in the present thesis.Consequently, charged particle transport laws need to be studied carefully taking to acount self-consistent magnetic micro-turbulence at the shock. Two different studies of particle transport at each side of the shock (downstream and upstream) show that the diffusion laws take a concise form as a power law in energy ($D \propto E^2$) and the micro-turbulence strength. Both Monte-Carlo simulations and analytic studies are in agreement and, if the shock Lorentz factor is much greater than 1, it is found that the maximum energy of accelerated protons is $10^{15}$eV. A physical mechanism is also provided to explain how electrons attain the equipartition with protons at the shock. Finally, the radiation from accelerated electrons at the shock can reach several GeV in a synchrotron-like spectrum.In the second part of the thesis, I used 1D3V PIC simulations to study mildly relativistic shocks structure and their time evolution. The prependicular shock front self-reformation, well-known in non-relativistic limit, persists at mildly relativistic speeds. At low magnetization ($\sigma \ll 10^{-2}$), electrons are pre-heated in the shock precursor by the Buneman instability between reflected ions and incident electrons. At higher magnetizations ions form a coherent cyclotron loop at the front and the Maser Synchrotron Instability is essential for the shock structure by emitting a strong electromagnetic precursor, responsible for electrons heating up to equipartition with protons. No particle acceleration is seen in these 1D3V simulations.

Au cours des dernières décennies, l’observation du ciel dans les longueurs d’onde millimétriques a permis de faire grandement progresser notre compréhension de l’univers, notamment à travers l’étude du fond diffus cosmologique. Pour répondre aux besoins actuels des astronomes, nous proposons dans ce rapport un instrument intégré permettant de réaliser des mesures spectrales large-bande dans le domaine millimétrique. Celui-ci se base sur le concept de SWIFTS (Stationary-Wave Fourier-Transform Spectrometer :spectromètre de Fourier à ondes stationnaire), un instrument opérationnel aux longueurs d’onde visibles et infrarouges. Notre dispositif " SWIFTS millimétrique " utilise des détecteurs à inductance cinétique (KID pour Kinetic Inductance Detectors) comme détecteurs de lumière. Différents aspects de la conception du SWIFTS millimétrique sont abordés dans ce rapport. Le dimensionnement des éléments clés du dispositif est réalisé à l’aide de simulations électromagnétiques. Nous proposons aussi un procédé de fabrication en technologie silicium permettant le dépôt d’antennes sur membrane de nitrure de silicium SiN. Les premières caractérisations permettent de confirmer un fonctionnement adapté des détecteurs en configuration SWIFTS et démontre l’existence d’un couplage entre l’antenne et un des détecteurs aux longueurs d’onde millimétriques ce qui ouvre la voie à un futur démonstrateur. Parallèlement, la technologie développée pour le SWIFTS millimétrique a rendu possible la fabrication de KID sur membrane. L’intérêt est ici d’évaluer la membrane comme un moyen de réduire l’interaction entre les rayons cosmiques et le détecteur dans la perspective d’une utilisation des KID dans l’espace. Des mesures comparatives effectuées sur KID déposés sur membrane et sur substrat démontrent des taux d'événements identiques dans les deux cas. La membrane est donc inefficace pour l’application envisagée. Le temps de relaxation présente en revanche une dépendance avec la présence du substrat. / For the last decades, millimeter wavelength observations allowed a large improvement of our knowledge of the universe in particular with the study of the Cosmic Microwave Background. To meet today astronomers’ needs, we propose hereby an integrated instrument able to perform wide-band spectral measurements in the millimeter spectrum. It is based on the SWIFTS concept (Stationary-Wave Fourier-Transform Spectrometer) an instrument already demonstrated in the optical and infrared bands. Our device "the millimeterSWIFTS" makes use of Kinetic Inductance Detectors (KID) as light detectors. Multiples aspects of the millimeter SWIFTS development are presented in this report. Design of the key-parts of the device is done with the help of electromagnetic simulations. We also propose a process of fabrication allowing the deposition of an antenna on a silicon nitride membrane SiN. First measurements confirm an adapted behavior of the KID in a SWIFTS design and demonstrate a coupling between the antenna and one of the detectors in themillimeter waves. This opens the way to a future demonstrator. In parallel, the technology developed for the millimeter SWIFTS allowed the deposition of KID on membrane. Main goal here is to assess membranes as a mean to reduce the interaction between cosmic rays and the detector in the case of a space application. Comparative measurements performed on KID deposited on membrane and on substrate demonstrate the same rate of events in both cases. Thus, membrane is not an option for the desired application. However, relaxation time shows a dependency with the presence of substrate.

Voilà plus d'un siècle que Victor Hess a montré l'origine cosmique de ce mystérieux rayonnement ionisant, et pourtant ce dernier n'a pas fini de livrer tous ces secrets. En deçà d'une énergie de l'ordre du PeV, les vestiges de supernovae sont les candidats les plus sérieux pour rendre compte de l'accélération de ces particules cosmiques. Si toutefois cette hypothèse demeure toujours d'actualité, alors qu'auparavant on le considérait comme un événement isolé dans la Galaxie, on constate plutôt aujourd'hui que ces explosions d'étoiles massives surviennent majoritairement au sein de grandes structures galactiques nommées superbulles. Ces objets sont formés par la combinaison des forts vents stellaires issus des étoiles massives ainsi que de plusieurs supernovae, tout ceci regroupé dans un espace de quelques dizaines ou centaines de parsecs.On peut dès lors se poser la question suivante : est-il possible que des amas d'étoiles jeunes, n'ayant pas encore connu d'épisode de supernova, puissent être des accélérateurs cosmiques.Pour ce type d'investigation, l'astronomie gamma est aux premières loges puisque contrairement au rayonnement cosmique chargé, ce type de messager céleste n'est pas dévié dans son voyage depuis la source jusqu'à nous.L'objet de ce travail est ainsi d'évaluer la possibilité pour ces amas d'étoiles jeunes, de recycler une partie de l'énergie mécanique transférée au milieu interstellaire dans l'accélération de particules et partant, dans l'émission d'un rayonnement non-thermique. Cette étude propose, à partir d'un spectre d'injection pour des particules chargées (proton et/ou électrons), de modéliser l'émission non-thermique attendue considérant les pertes que celles-ci subissent. Un catalogue d'amas potentiellement prometteurs est dressé ainsi qu'un classement de ceux-ci au regard du flux de gamma attendu. Une analyse des données des télescopes H.E.S.S. est conduite pour un certain nombre d'amas sélectionnés. Ce réseau de télescopes Cherenkov situé en Namibie est le plus performant dans sa catégorie. Il est dédié à l'observation des rayons gamma de très haute énergie.Une analyse des données du Fermi-LAT ont également été effectuées. Il s'agit cette fois d'un satellite dédié à la partie des hautes énergies du rayonnement gamma.Enfin, on contraint les paramètres de notre modèle grâce aux résultats issus de ces analyses.L'expérience H.E.S.S., qui a fonctionné à 4 télescopes dès 2003, est depuis 2012 au tout début de sa deuxième phase consistant en l'ajout d'un cinquième télescope de plus grand diamètre. On montre ici, grâce à des simulations de gerbes, la nécessité pour ce télescope de disposer d'un système de focus permettant l'ajustement de la distance caméra-miroirs conduisant à de meilleures performances (taux de déclenchement, résolution angulaire). / More than one century ago, Victor Hess discovered the cosmical origin of the mysterious ionizing radiation. Yet, nowadays it still has a lot of secrets for us. Roughly below the PeV energy, the best candidates already proposed in 1934 were the supernovae remnants (SNR). These candidates still remain ; in the past we considered isolated SNRs, while today we rather think about SNRs inside big structures as superbubbles. These objects are formed by powerful stellar winds from massive stars combined with several SNRs gathered in a space of some decades or hundreds of parsecs. Observations show that the majority of the SNRs occurs in such regions. The point for us is to know if star clusters or associations of massive stars, not hosting any SNR, could also accelerate particles to very high energies and consequently emit gamma-rays.The gamma-ray astronomy is relevant in order to solve this type of riddle because the Very High Energy photons do not suffer of any deviation due to the Galactic magnetic field. It means that we can get informations from the source itself by detecting the gamma-ray radiation.In our study we assume that a part of the mechanical energy transferred to the interstellar medium can be used to accelerate charged particles, which will emit non-thermal radiations.First we assume a given injection spectrum (for electrons and/or protons), then we model the non-thermal emission expected considering particles losses.We deliver a catalogue of promising clusters and we rank them according to the expected strength of the gamma-ray flux.We conducted the analysis of H.E.S.S. data collected toward some selected clusters. The H.E.S.S. experiment is situated in Namibia and is the most efficient array of Cherenkov telescopes. We also used the Fermi-LAT public data. Fermi is a space-based telescope for High Energy gamma ray.Then we constrain our model with the obtained analysis results.The H.E.S.S. experiment had initially 4 telescopes in operation since 2003. In 2012, the second phase of the experiment started when a fifth larger one was added. We show here that it is relevant for this telescope to use a focus system in order to move the camera and change the distance camera-mirrors. The simulations show that the focus system leads to better performances (trigger rate, angular resolution).

The cosmic rays are the most energetic particles in the universe. Their production, propagation, and detection are objects of studies. Surface detectors aim to identify particles from extensive air showers (EAS) which the result from the cosmic-ray interactions with the atmosphere. Resistive Plate Chambers (RPCs) have shown to be a suitable muon detector to be integrated into the Pierre Auger Observatory. An instrumentation was developed to assembly RPCs in São Carlos (BRA). Data from RPCs already built by our collaborators in Coimbra (POR) were analyzed. The detector efficiency to muons was calculated and is approximately 88%, which is in good agreement with the values quoted in the literature. Direction maps were built to investigate the muon incoming direction and the quantity of matter traversed by the muons. The dependence of the muon flux on the zenith angle was calculated and compared with results from the simulation. A square cosine dependence is expected, though it is seen that the building structure has enough matter to block some of the incident muons and alter the dependence curve. The total muon flux was estimated based on the detector efficiencies and solid angle as 1.6.10−5. mm−2.sr−1. s−1 compared with the literature value of 7.1.10−5 mm−2.sr−1.s−1, which gives an absorption by the building of approximately 77%. / Os raios cósmicos são as partículas mais energéticas do universo. Sua produção, propagação e detecção são objetos de estudos. Os detectores de superfície têm como objetivo identificar partículas dos chuveiros atmosféricos extensos (EAS), o qual é o resultado das interações do raio cósmico com a atmosfera. A Câmaras de Placas Resistivas (RPCs) demonstra ser um detector de múons adequado para ser integrado ao Observatório Pierre Auger. Foi desenvolvida em São Carlos (BRA) uma instrumentação para montagem de RPCs. Dados de RPCs já construídas por nossos colaboradores em Coimbra (POR) foram analisados. A eficiência dos detectores para múons foi calculada como sendo de aproximadamente 88%, o que está de acordo com os valores citados na literatura. Mapas de direção foram construídos para investigar a direção de chegada e a quantidade de matéria atravessada pelos múons. A dependência do fluxo de múons com o ângulo zenital foi comparada com os resultados da simulação. Embora uma dependência com o quadrado do cosseno é esperada, foi constatado que a estrutura do prédio tem matéria suficiente para bloquear parte dos múons incidentes e alterar a curva da dependência. O fluxo total de múons foi estimado baseado nas eficiências do detector e no ângulo sólido é de 1.6.10−5 mm−2.sr−1.s−1. Comparado com o valor da literatura de 7.1.10−5 mm−2.sr−1.s−1 resulta em uma absorção pelo prédio de aproximadamente 77% do fluxo de múons.

A determinação da massa de raios cósmicos ultra energéticos é uma questão em aberto devido a flutuação natural da primeira interação e o desconhecimentos da seção de choque para altas energias (E > 1017 eV). Alguns estudos (1) mostraram que modificações sistemáticas das propriedades em interações hadrônicas interfere significativamente no desenvolvimento de chuveiros atmosféricos extensos e, consequentemente, provêm diferentes interpretações para os resultados de raios cósmicos. No limite de altas energias, pode ocorrer a saturação de glúons na superfície nuclear, o que resulta no aumento da seção de choque próton-próton e próton-núcleo em relação ao modelo de Glauber. A seção de choque cresce com a energia e está relacionada com a função de distribuição de probabilidade de encontrar um centro espalhado que é maior no modelo de saturação de glúons. Neste trabalho analisamos a seção de choque próton-ar e núcleo-ar para energias acima de 1018 eV usando a hipótese da saturação de glúons (2). Implementamos a saturação de glúons no modelos de interações hadrônicas de altas energia SIBYLL e estudamos o desenvolvimento do chuveiro atmosférico extenso usando o programa CORSIKA. Comparamos os resultados com a taxa de elongação medida pelo Observatório Pierre Auger. Concluímos mostrando o efeito da saturação de glúons na interpretação na composição da massa de raios cósmicos ultra energéticos. / The determination of the composition of ultra high energy cosmic rays is an open question due to natural fluctuations of the first interaction point and unknow high energy cross sections. Some studies (1) have shown that systematic modifications in the hadronics interaction properties infer significantly in the development of extensive air showers and, consequently, provides different interpretations of cosmic ray results. In high energy limit (E > 1018eV), gluon saturation may occur in the nuclear surface region, so that the cross section proton-proton and proton-nucleus increase more rapidly with incident energy than Glauber theory. The cross section rise with energy is related to the probability distribution function of scattering centers which is larger for gluon saturation models. In this work we analyze the cross section proton-proton and proton-nucleus at energies above 1018 eV using the gluon saturation hypothesis (2). We implemented the gluon saturation physics in the SIBYLL hadronic interaction model and we studied the development of the air shower using the CORSIKA program. Different extrapolation models of high energy interaction with gluon interaction have been implemented in SIBYLL. We compared the simulation results using gluon saturation with the measured elongation rate published by the Pierre Auger Collaborations. We conclude by showing the effect of gluon saturation in the interpretation of cosmic ray by composition.

Orientador: Jose Augusto Chinellato / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-11T05:35:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Catalani_Fernando_D.pdf: 3151550 bytes, checksum: e2bbe39231b08bdb8fdcd358452d30f5 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Essa tese tinha como objetivo estudar o perfil longitudinal de chuveiros atmosféricos extensos de forma completa. Nós simulamos chuveiros atmosféricos utilizando o programa CORSIKA para diferentes primários e energias acima de 10 17 e V e procuramos relações entre vários parâmetros extraídos do perfil longitudinal, como Xmax, X0, Xmax - X0, FWHM entre outros. Utilizamos os modelos de interação hadrônica QGSJET01 e SIBYLL2.1 nesses estudos. Um resultado obtido foi a contribuição de diferentes componentes de um chuveiro atmosférico no depósito de energia na atmosfera, para diferentes ângulos, primários e modelos de interação hadrônica. Calculamos, pela primeira vez, explicitamente as quantidades de energia calorimétrica e energia perdida que são necessárias para a recosntrução da energia do primário. Pudemos, então, parametrizar a fração de energia perdida em termos da energia calorimétrica e da energia do primário. Essa parametrização varia menos de 1 % com o ângulo zenital e com o nível de observação. Já a dependência com o primário é menor que 5 % e com o modelo de interação hadrônica é menor que 2 %.Calculamos como menor que 3 % o erro sistemático de corrigir a energia perdida usando uma parametrização mista de 50 % de chuveiros de ferro e 50 % chuveiros de próton. Aplicamos métodos estatísticos no estudo da composição de raios cósmicos. Como resultado, propomos a utilização de vários parâmetros do perfil longitudinal como Xmax, Nmax, Sigma, Assimetria, Skewness and Kurtose. Através do método de análise de componentes principais (PCA) nós estudamos a relevência de cada um desses parâmetros na caracterização do perfil longitudinal. Aplicamos, então, a análise de discriminantes lineares (LDA) para encontrar uma combinação linear dos parâmetros usados que melhor classifique um chuveiro como sendo originado por próton, ferro e fótons. Mostramos que LDA permite uma melhor separação entre chuveiros de hádrons e fótons e entre chuveiros de prótons e ferro que métodos baseados apenas na medida de Xmax / Abstract: The aim of this thesis was to study in a thoroughly way the longitudinal profile of air showers. We simulated air showers for different primaries and energies with the CORSIKA program and searched for relations between several parameters extracted from longitudinal profile, like Xsub>max, X0, Xmax-X0, FWHM and others. Hadronic interaction models QGSJET01 and SiBYLL2.1 were used in these studies. One result was the contribution for different components of an air shower to the energy deposit in the atmosphere, considering different angles, primary particles and hadronic interaction models was studied. We calculated, for the first time, the amounts of calorimetric energy and missing energy which are essential to reconstruct the primary energy. Thus, we could parameterize the fraction of missing energy in terms of the primary energy as a function of calorimetric energy. This parametrization varies less than 1% with angle and observation level. We showed that the dependence with primary mass is less than 5 % and with hadronic interaction model is below 2%. Using a parametrization with a mixture of 50 % of proton and 50 % iron showers at 45° to correct the missing energy the systematic error found was less than 3 %. Finally, we applied statistical methods in the composition studies of air showers. As a result, we propose the utilization of several features of air shower longitudinal profiles such as Xmax, Nmax, Sigma, Asymmetry, Skewness and Kurtosis. First we studied the relevance of each parameter for the overall shower features using principal component analysis (PCA). Then, we applied linear discriminant analysis (LDA) to find a linear combination of the shower parameters that best classifies a shower as an iron, proton or photon originated shower. We showed that LDA provides a better separation between iron and proton showers than using only Xmax-based methods / Doutorado / Física das Particulas Elementares e Campos / Doutor em Ciências