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.

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.

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

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