Orientador: Carlos Ourivio Escobar / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-11T18:57:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Peixoto_CarlosJoseTodero_D.pdf: 15351567 bytes, checksum: 33b4f282f53a5669d23f8170b3bbf392 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Desde os primeiros Raios Cósmicos de alta energia detectados por Pierre Auger na década de 30, toda a comunidade de Física de Radiação Cósmica procura técnicas matemáticas e métodos estatísticos mais adequados para analisar estes eventos. Estes processos de análise são imprescindíveis na estimativa da energia da partícula primária, bem como no cálculo do ângulo de chegada q . A estimativa desta energia e do ângulo q é o final de toda uma rede de trabalho e o começo de uma nova linha de pesquisa na busca pelas possíveis fontes que produziram tais eventos. Ao longo deste trabalho refizemos o princípio de reconstrução dos "chuveiros de Auger", os chamados "Chuveiros Atmosféricos Extensos" ( C.A.E.), utilizando um conceito relativamente novo de estatística, hoje denominada Estatística Robusta. O Método dos Mínimos Quadrados ou Least Square -LS, apresentado por Gauss e Legendre, possuía limitações que eles próprios já reconheciam e tentaram resolver, sem sucesso. Desde fins do século XVIII e come¸ co do século XIX, os métodos estritamente paramétricos, em especial o Método dos Mínimos Quadrados e a média aritmética, foram questionados quando utilizados para descrever distribuições pouco comportadas ou com grandes utuações. Algumas das principais questões estavam relacionadas a como tratar pontos muito distantes da distribuição principal (os chamados outliers) e como estes influenciavam a própria distribuição. A saída convencional mais utilizada foi a rejeição dos outliers e de pontos que apresentassem grandes desvios em relação a média. Porém, a perda de informações sobre a própria distribuição tornava-se inevitável. O modelo paramétrico mostrou-se apenas uma aproximação da realidade, uma vez que as flutuações, apesar de serem consideradas, não são "bem-vindas"; são vistas apenas como um erro inerente à observação. Então, no fim do século XIX apareceram as primeiras tentativas de extrair informação das flutuações, classificando-as e as considerando parte integral da descrição da distribuição. Se um método estatístico for capaz de descrever os dados observados, incluindo e classificando as flutuações inerentes, este passa a ser conhecido como "Método Robusto" ou "Estatística Robusta", onde a nomenclatura "Robusta" está relacionada à capacidade do método ou modelo de "resistir" às flutuações fornecendo uma descrição da realidade com razoável independência destas mesmas flutuações. Com base em dois métodos robustos, Mínima Mediana Quadrada (Least Median Square - LMS) e Mínimos Quadrados "Aparados" (Least Trimmed Square - LTS), aplicamos estes nos ajustes da Função Distribuição Lateral de Chuveiros (Lateral Distribution Function - LDF) extraindo o valor de S 1000, parâmetro necessário para estimar a energia da partícula primária. Os valores para S1000 calculados a partir de estatística convencional (Mínimos Quadrados) e estatística robusta (LMS e LTS) são comparados. O valor de S1000, para chuveiros de mesma energia, depende do ângulo q dos primários, já que o CAE sofre atenuação na atmosfera, atenuação esta tanto maior quanto maior, for q . Para levar em conta a atenuação no cálculo do espectro de energia, em que todos os ângulos de chegada são considerados (até 60 graus), é introduzido o parâmetro S38, onde 38 graus é a mediana dos dados do Auger. A atenuação é calculada usando-se o método do Constant Intensity Cut (CIC) o qual depende da validade de várias hipóteses. As três hipóteses supostas pela Colaboração Auger são apresentadas neste trabalho. Correlacionamos, assim, todos os novos valores de S38 com os valores da chamada "Energia Híbrida", obtida diretamente do programa de análise da Colaboração Auger. Esta correlação nos permite recorrigir a energia com base em detecção híbrida, que é a grande vantagem do Observatório Pierre Auger. Esta correlação nos permite estabelecer a escala de energia ou calibração do detector de superfície com base na determinação calorimétrica da energia feita pelo detector de flurescência, que é o grande avançoo trazido para o campo pelo Obvservatório Pierre Auger. Com os novos resultados de energia, refizemos os cálculos de minimização para a correlação de radiação cósmica com fontes extra-galácticas obtendo correlações que não estão em correspondência biunívoca com aquelas obtidas pelo método convencional de análise. Por fim fazemos uma análise das próprias estações outliers tentando extrair alguma informação relacionada à performance do detector de superfície. Os apêndices incluídos após as conclusões foram colocados neste trabalho apenas por motivos didáticos como consulta rápida para o leitor leigo em métodos de detecção de radiação cósmica / Abstract: Since the first ultra high-energy cosmic rays detected by Pierre Auger (the 30s) the entire community of Physics of Cosmic Rays search for mathematical techniques and more appropriate statistical methods to analyze these events. These analysis processes are essential for the estimate of the energy of the primary particle as well as in the calculation of the angle of arrival q . The estimate of the energy and the angle q is the end of a long chain of analysis and the beginning of a new line of research in the search for the possible sources that produced such events. Throughout this work we re-analysed the reconstruction chain of the "Auger showers", the socalled "Extensive Air Showers - EAS", using a relatively new concept of statistics, known as Robust Statistics. The Least Square Method - LS, presented by Gauss and Legendre had limitations already recognized by themselves who tried to overcome them without success. Since the end of the eighteenth century and beginning of the nineteenth century, strictly parametric methods, especially the Least Squares and the arithmetic average, were questioned when used to describe distributions with bad behavior or with large uctuations. Some of the main issues were related to how to deal with points far way from the main distribution (the so-called outliers) and how it in uenced the main distribution. The more conventional way out used was the rejection of the outliers and points that produced large deviations from average. But the loss of information about the distribution was inevitable. The parametric model proved to be only an approximation of reality, since uctuations, despite being considered, are not "welcome"; are seen only as an error inherent in observation. Then, at the end of the nineteenth century there appeared the first attempts to extract information from uctuations sorting them out and considering them as an integral part of the description of the distribution. Whether a statistical method is able to describe observed data, including and sorting the uctuations inherent, then becomes known as "Robust Method" or "Robust Statistic", where the nomenclature "Robust" is related the ability of the method or model to "Resist" the uctuations by providing a description of reality with reasonable independence these same uctuations. Based on two robust methods: Least Median Square - LMS and Least Trimmed Square - LTS; we apply these to adjust the Lateral Distribution Function - LDF extracting the value of S1000, parameter needed to estimate the energy of the primary particle. The values for S1000 calculated from conventional statistic (Least Square) and robust statistic (LMS and LTS) are compared. The parameter S1000 is dependent on the angle of arrival of the shower, then we apply a correction factor called S38. This correlates S1000 and and, currently, there are several ways to calculate this factor. The three hypotheses most used by Auger Collaboration are presented in this work. We then correlate all new values of S38 with the values of the so-called "Hybrid Energy", obtained directly from analysis software of the Auger Collaboration. This relationship allows us to correct the energy based on hybrid detection that is great advantage of the Pierre Auger Observatory. This relationship allows us to establish the energy scale or calibration of the surface detector on the basis of the calorimetric determination of the energy done by the uorescence detector which is the great advancement brought to the field by the Pierre Auger Observatory. With the new results for the energy we reanalysed the the correlation with extra-galactic sources of cosmic ray getting new correlations, which are absent in the conventional methods of analysis. Finally we make an analysis of the surface stations outliers by themselves trying to extract some information relevant for their performance. Appendices included after the conclusions were placed in this work only for a rapid consultation by lay readers in methods of detection of cosmic rays / Doutorado / Teorias Especificas e Modelos de Interação ; Sistematica de Particulas ; Raios Cosmicos / Doutor em Ciências

Orientador: Ernesto Kemp / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-20T15:39:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Batista_RafaelAlves_M.pdf: 8040703 bytes, checksum: 596e886c4828986af7fb003ba71adf9b (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: Campos magnéticos cósmicos são ubíquos e estão presentes em todas as escalas, desde os planetas até os superaglomerados de galáxias. Sabe-se que o campo magnético da Via Láctea possui uma componente regular, que tem uma estrutura espiral, e uma componente aleatória. Muitas questões acerca do magnetismo galáctico ainda permanecem sem respostas, e o modelo de espiral mais adequado para descrever as observações é incógnito. Uma possibilidade pouco explorada para estudar o campo magnético da Via Láctea é utilização de informações relacionadas à propagação de partículas carregadas através da mesma. Neste contexto estão inseridos os raios cósmicos ultra-energéticos, as partículas mais energéticas do universo, cuja origem, composição química e mecanismos de aceleração e propagação não são bem compreendidos. A deflexão de partículas provenientes da mesma fonte no campo magnético galáctico pode gerar estruturas filamentares com eventos ordenados por energia, os chamados multipletos, sendo esta uma assinatura única deixada pelo campo em mapas contendo direções de chegada de raios cósmicos. Neste trabalho é apresentado um método inédito para estudos do campo magnético galáctico, através da identificação e análise da orientação de multipletos nestes mapas. Este método baseia-se na transformada de wavelets na esfera, que permite amplificar a razão sinal-ruído e fazer reconhecimento de padrões, de forma a identificar multipletos imersos em ruído de natureza estocástica. Na primeira parte do trabalho o método foi aplicado a dados simulados visando obter a orientação esperada para multipletos oriundos de fontes em diversas partes da esfera celeste, segundo diferentes modelos de campo magnético galáctico. Na segunda parte do trabalho, aplicou-se o método a eventos detectados pelo Observatório de Raios Cósmicos Pierre Auger. A confrontação dos resultados de dados reais e simulações permite restringir modelos de campo magnético galáctico / Abstract: Cosmic magnetic fields are ubiquitous and are present in all size scales, from planets to superclusters of galaxies. The magnetic field of the Milky Way has a regular component, with a spiral structure, and a random component. Many questions concerning galactic magnetism still remain unanswered, and the spiral model which best fits the observations is unknown. An underexplored possibility to probe these fields is to use information related to the propagation of charged particles through them. In this context, an interesting probe are the ultrahigh energy cosmic rays, the most energetic particles in the universe, whose origin, chemical composition and mechanisms of acceleration and propagation are not well-understood. The deflection of particles coming from the same source can generate threadlike structures with events ordered by energy, the so-called multiplets, which imprints a unique signature of the galactic magnetic field in maps containing arrival directions of cosmic rays. In the present work it is presented a novel method to probe the galactic magnetic field, by identifying and analysing the orientation of multiplets in these maps. This method relies on the spherical wavelet transform, which is capable of amplifying the signal-to-noise ratio and perform pattern matching, so that it is possible to identify multiplets embedded in a stochastic background. In the first part of this work the method is applied to simulated data, aiming to obtain the expected orientations for multiplets associated to sources in several regions of the celestial sphere, according to different models of galactic magnetic field. In the second part of the work the method was applied to events detected by the Pierre Auger Observatory. A confrontation between the results using real and simulated data allows one to impose constraints to galactic magnetic field models / Mestrado / Física / Mestre em Física

Les rayons cosmiques ont été découverts il y a un siècle par Victor Hess à bord d'un vol scientifique en ballon. La physique des rayons cosmiques et les ballons stratosphériques ont partagé depuis lors une histoire commune, que ce soit pour d'authentiques découvertes ou en utilisant les ballons comme plateformes de test technologique pour de nouvelles missions satellites. Cette thèse, développée au sein de la collaboration JEM-EUSO, traite d'un démonstrateur en ballon stratosphérique. Notre but scientifique final est l'étude des Rayons Cosmiques de Ultra-Haute Energie (RCUHE), les particules les plus énergétiques connues dans l'Univers. Les RCUHES ont des énergies macroscopiques de plus de 10^20eV mais étant extrêmement rares, leurs origines sont encore inconnues. Ces derniers pénètrent notre atmosphère à une fréquence de un par km2 par siècle, produisant une gerbe atmosphérique géante, détectable notamment par la lumière de fluorescence ultraviolette qu'elle émet. Le principe de détection proposé par notre collaboration consiste dans l'utilisation d'un observatoire spatial, JEM-EUSO. Son objectif est d'observer un très grand volume d'atmosphère afin d'enregistrer un nombre significatif des événements ultra-violet de fluorescence initiés par les RCUHEs. Le démonstrateur EUSO-Ballon a été développé par la collaboration JEM-EUSO dans le but de démontrer les technologies et méthodes utilisées par le futur instrument spatial. Le 25 août 2014, EUSO-Ballon a été lâché depuis la base de ballons stratosphériques de Timmins (Ontario, Canada) par la division ballon du CNES. L'instrument a fonctionné pendant toute une nuit astronomique, observant depuis 38km d'altitude la lumière UV provenant de divers types de sols et de centaines de gerbes atmosphériques simulées. Ces dernières ont été produites par des flashers et un laser embarqués dans un hélicoptère volant sous EUSO-Ballon pendant deux heures. Ces résultats ont été rendus possibles par la restitution de l'attitude de l'instrument effectuée à l'IRAP, c'est-à-dire une analyse exhaustive des données du vol des différents appareils de mesure d'attitude de la nacelle du ballon. Une caractérisation précise de chaque sous-système était aussi indispensable à l'exploitation des données du vol. Le système optique innovant, composé de deux grandes lentilles de Fresnel, a été intégré et entièrement testé à l'IRAP. Face au large système réfractif de l'instrument, une nouvelle méthodologie de test a été développée. Les performances de l'optique, efficacité et spot focal, ont ainsi été mesurées et se sont révélées étonnamment différentes des prédictions des modèles numériques. Ces mesures sont utilisées pour l'analyse des données du premier vol et pour mieux comprendre le comportement de ces toutes nouvelles optiques, éléments clés dans la conception de l'instrument JEM-EUSO. / A century ago Cosmic Rays were discovered by Victor Hess during one of the very first scientific balloon flights. Ever since, Cosmic Ray physics and stratospheric balloons have shared a common history - either through genuine discoveries or by using balloon platforms as technology test beds for new satellite missions. This thesis, carried out within the JEM-EUSO collaboration, is about such a pathfinder balloon mission. Our ultimate science goal is the study of Ultra-High Energy Cosmic Rays (UHECR), the most energetic particles known in the Universe. Having macroscopic energies of over 10^20 eV, UHECRs are of yet unknown cosmic origin and are extremely rare. They penetrate our atmosphere at a rate of about one event per km2 and century, producing energetic atmospheric air showers, detectable through the ultraviolet fluorescence light they emit. The technique that our collaboration proposes for their detection consists of a spaceborne observatory, JEM-EUSO. Its objective is to monitor a very large volume of the Earth's nighttime atmosphere from above, recording a significant sample of ultraviolet light tracks initiated by UHECRs. In order to demonstrate the technologies and methods featured in the future space instrument, the EUSO-Balloon pathfinder has been developed by the JEM-EUSO collaboration. On August 25, 2014, EUSO-Balloon was launched from Timmins Stratospheric Balloon Base (Ontario, Canada) by the balloon division of the French Space Agency CNES. From a float altitude of 38 km, the instrument operated during the entire astronomical night, observing UV-light from a variety of groundcovers and from hundreds of simulated air showers, produced by flashers and a laser during a two-hour helicopter under-flight. These results have been made possible by the restitution of the instruments attitude carried out at IRAP, i.e. an exhaustive analysis of the flight data from various attitude sensors on board of the balloon gondola. Also, a precise understanding of the Fresnel optics was required to analyze the data of the first EUSO-balloon flight. The all new optical system, integrated and tested at IRAP, has been characterized during two measurement campaigns. To test this large refractive system, a new test method has been developed. The optics performance, i.e. the efficiency and point spread function, came as something of a surprise, since none of the numerical models had predicted the observed behavior. These measurements are used in the analysis of the flight data and for the deep understanding of these brand-new Fresnel optics, key element in the design of the JEM-EUSO instrument.

L’objectif de cette thèse est d’améliorer la détermination de la masse des rayons cosmiques d’ultra haute énergie faite à l’Observatoire Pierre Auger. Aujourd’hui cette mesure est faite à travers l’utilisation de télescopes à fluorescence qui nécessitent des conditions de luminosité spéciales réduisantle cycle utile à environ 10%. Trois approches différentes sont proposées:La première approche est une nouvelle analyse. Les muons issus des gerbes horizontales sont déviés par le champ magnétique terrestre. Cette déviation modifie l’empreinte au sol des gerbes atmosphériques et est fonction de la longueur de parcours des muons. Un estimateur de Xμmax, leur point de productionmaximum, qui dépend de la masse du primaire peut être construit.La deuxième approche explore la détection du rayonnement radio émis par les gerbes atmosphériques, une technique similaire à la fluorescence mais sans limitation du cycle utile. La détection du rayonnement de Bremsstrahlung moléculaire est revue et explorée de différentes manières.La troisième approche propose un nouveau type de détecteur pour le réseau de surface, ces détecteurs ayant une réponse distincte aux différentes composantes des gerbes atmosphériques : électromagnétique et muonique. La mesure de la composante muonique est aussi un moyen d’accéder à la nature du primaire.La nouvelle analyse semble un outil prometteur qui peut s’appliquer à tout lot de données. La radio-détection en revanche n’apparaît pas comme une alternative compétitive face aux techniques traditionnelles. Le nouveau détecteur offre de belles perspectives et devrait être considéré pour l'équipementdes futurs observatoires. / The motivation of this PhD thesis is to improve the capabilities to determine the mass composition of the ultra-high energy cosmic rays in the Pierre Auger Observatory. The measure of their mass composition is done with the fluorescence technique, that needs special luminosity conditions that reduce the exposure time to about 10% of the time. Three different approaches are proposed.The first approach is a new analysis. Muons in the horizontal showers are deviated by the magnetic field of the Earth. This deflection is related with different characteristics of the extensive air shower that allow the construction of an estimator to obtain an alternative measure of Xμmax, an observable sensitive to the mass of the primary.The second approach is to explore the detection of the radio emission produced in the extensive air showers, a technique similar to the fluorescente one, but without the limitations in the duty cycle. The detection of the Molecular Bremsstrahlung Radiation emission is revised and investigated from different points of view.The third approach is to propose a new surface detector that obtains different responses to the different components of the extensive air shower: electromagnetic and muonic. The access to the muonic component is another way to access to the composition of the primary particle.The new method of analysis proposed appears as a promising tool to be applied in any data set. The technique of the radio detection did not show clear indications of being an alternative to traditional techniques. The new detector represents a promising alternative to be considered in any future ultra-high energy cosmic rays experiment.

L'instrument EUSO-Balloon est un prototype pour le télescope JEM-EUSO, destiné à observer pour la première fois depuis l’espace les gerbes atmosphériques induites par les rayons cosmiques d'ultra-haute énergie. Le principe de détection repose sur la mesure des photons émis par la fluorescence de l’atmosphère terrestre lors du développement des gerbes. EUSO-Balloon, un télescope UV embarqué à bord d’un ballon stratosphérique, a pour but de prouver la pertinence des concepts instrumentaux développés dans le cadre du projet JEM-EUSO. Cette thèse est dédiée en grande partie à l’assemblage, l’intégration et les tests du module de photo-détection d’EUSO-Balloon. Il s’agit d’un ensemble de 36 tubes photomultiplicateurs multi-anodes, pour un total de 2304 pixels, et d’une électronique de lecture permettant d’imager le développement, s’effectuant à la vitesse de la lumière, des gerbes atmosphériques. Cette caméra permet ainsi de réaliser des images de 2,5 microsecondes avec une sensibilité au photo-électron unique. Il aura été démontré que la mesure de l’efficacité de photo-détection de la caméra est réalisable avec une précision inférieure à 5% pour la tension de polarisation adaptée. EUSO-Balloon a effectué son premier vol en août 2014 lors duquel il a été prouvé, grâce à l’utilisation d’événements simulés par tirs lasers, qu’il est possible d’imager le développement de gerbes atmosphériques depuis le proche espace. Les données enregistrées permettent de réaliser une étude sur le bruit de fond UV produit par l’atmosphère terrestre. L’ensemble du travail d’assemblage, d’intégration et de test permet d’envisager les développements pour les futures missions. / The EUSO-Balloon instrument is a prototype for the JEM-EUSO telescope, intended to observe for the first time from space the extensive air showers (EAS) induced by the ultra-high energy cosmic rays. The detection technique relies on the measurement of the photons produced by the fluorescence of the Earth’s atmosphere when EAS develop. EUSO-Balloon, a UV telescope payload of a stratospheric balloon, has the objective to prove the relevance of the concepts developed for the JEM-EUSO project. An important part of this thesis is devoted to the assembly, the integration and the test of the EUSO-Balloon’s photo-detection module. It is an array of 36 multi-anodes photo-multiplier tubes, for a total of 2,304 pixels, and of a readout electronics able to image the development at the speed of the light of the EAS. It has a framing time of 2.5 microseconds with a single photo-electron sensitivity. It has been proved that the photo-detection efficiency of this camera can be measured with an accuracy better than 5% for the proper polarization voltage. The first flight of EUSO-Balloon happened in August 2014 and proved, with the use of laser induced events, that air showers can be imaged for the near space. Data acquired during this flight allow to study the UV background originating from the Earth’s atmosphere. The assembly, integration and test work provided during this project leads the development of future missions.

Ultra-High Energy Cosmic Rays (UHECR) can only be measured by the detection of Extensive Air Showers (EAS) created by the interaction of the cosmic ray particle with an atmospheric nuclei. The inference of some of the properties of UHECR, like their mass composition, is only possible by the comparison of measurements of EAS observables to predictions from Monte Carlo simulations. The most important source of uncertainties on the description of EAS by the simulations is the modeling of hadronic interactions. For many years it has been known that the hadronic interaction models fail on predicting the EAS observables related to their muonic component. The most evident manifestation of that is called muon deficit problem due to the fact that the number of muons in EAS with energies above 1018 eV predicted by simulations is smaller than the observed ones. The aim of this thesis is to approach this problem in three distinct fronts. First, a method is developed to interpret measurements of number of muons in terms of cosmic rays composition in despite of the muon deficit problem. Second, an EAS observable which is sensitive to the muon energy spectrum at ground and, consequently, can be used to constrain hadronic interaction models is proposed and tested. Third and final, the muon production in air showers is studied through measurements of hadron production spectra in pion-carbon interactions. / Raios Cósmicos Ultra Energéticos (Ultra-High Energy Cosmic Rays, UHECR) somente podem ser medidos através da detecção dos Chuveiros Atmosféricos Extensos (Extensive Air Showers, EAS) criados pela interação do raio cósmico primário com núcleos atmoféricos. A inferência de algumas propriedados dos UHECRs, como a composição de massa, é possível somente através da comparação entre medidas de observáveis dos EASs com predições geradas por simulações de Monte Carlo. A fonte de incerteza mais importante na descrição de EAS por simulações é a modelagem das interações hadrônicas. Por muitos anos é sabido que os modelos de interação hadrônica falham na predição de observáveis dos EASs relacionados a sua componente muônica. A manifestação mais evidente disso é chamada problema do déficit de múons devido ao fato que o número de múons em chuveiros com energias acima de 1018 eV predito por simulações é menor que os observados. O objetivo desta tese é abordar este problema através de três frentes. Primeiramente, um método é desenvolvido para interpretar as medidas do número de múons em termos de composição de raios cósmicos considerando o problema do déficit de múons. Segundo, a proposta e o teste de um observável que é sensível ao espectro de energia dos múons na superfície e, consequentemente, pode ser usado para discriminar entre os modelos de interação hadrônica. Por último, a produção de múons em chuveiros é estudada através de medidas do espectro de produção de hádrons em interações do tipo píon-carbono.

Relativity is one of the most important and well tested theories and Lorentz invariance is one of its pillars. Lorentz invariance violation (LIV), however, has been discussed in several quantum gravity and high energy models. For this reason, it is crucial to test it. Several tests, both terrestrial and astrophysical, have been performed in the last years and provide limits on the violation. This work takes part in these efforts and discuss the possibility of testing LIV with ultra-high energy cosmic rays (UHECRs). The effects of LIV in their propagation and the resulting changes in the spectrum of UHECRs are obtained and compared to the experimental data from the Pierre Auger Observatory. An analytical calculation for the inelasticity in the laboratory frame with LIV of any a + b → c + d interaction is presented and used to obtain the phase space and the energy losses of the pion production for protons, the photodisintegration for nuclei and the pair production for photons with LIV. A parametrization for the threshold energy of the photodisintegration with LIV is also proposed. The main effect seen is a decrease in the phase space and a resulting decrease in the energy loss. These changes have been implemented in Monte Carlo propagation codes and the resulting spectra of protons, nuclei and photons on Earth have been obtained and fitted to the data from the Pierre Auger Observatory. It is shown that upper limits on the photon LIV coefficient can be derived from the upper limits on the photon flux from the Pierre Auger Observatory. / Relatividade é uma das mais importantes e bem testadas teorias e a invariância de Lorentz é um de seus pilares. A violação da invariância de Lorentz (VIL), todavia, tem sido discutida em diversos modelos de gravidade quântica e altas energias. Por tal motivo, é crucial testá-la. Diversos testes, tanto terrestres quanto astrofísicos, foram realizados nos últimos anos e fornecem limites na violação. Este trabalho se insere nesses esforços e discute a possibilidade de testar VIL com raios cósmicos de altíssima energia. Os efeitos da VIL em sua propagação e as consequentes mudanças no espectro de raios cósmicos de altíssima energia são obtidos e comparados com os dados experimentais do Observatório Pierre Auger. Um cálculo analítico para a inelasticidade no referencial do laboratório com VIL para qualquer interação da forma a + b → c + d é apresentado e usado para obter o espaço de fase e as perdas de energia para a produção de píons para prótons, a fotodesintegração para núcleos e a produção de pares para fótons com VIL. Uma parametrização para o limiar de energia da fotodesintegração com VIL também é proposta. O principal efeito observado é uma diminuição no espaço de fase e uma consequente diminuição nas perdas de energia. Tais mudanças foram implementadas em códigos de Monte Carlo para a propagação e os espectros resultantes para prótons, núcleos e fótons na Terra foram obtidos e ajustados aos dados do Observatório Pierre Auger. É mostrado que limites superiores nos coeficientes de VIL para o fóton podem ser deduzidos dos limites superiores para o fluxo de fótons do Observatório Pierre Auger.

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.

Relativity is one of the most important and well tested theories and Lorentz invariance is one of its pillars. Lorentz invariance violation (LIV), however, has been discussed in several quantum gravity and high energy models. For this reason, it is crucial to test it. Several tests, both terrestrial and astrophysical, have been performed in the last years and provide limits on the violation. This work takes part in these efforts and discuss the possibility of testing LIV with ultra-high energy cosmic rays (UHECRs). The effects of LIV in their propagation and the resulting changes in the spectrum of UHECRs are obtained and compared to the experimental data from the Pierre Auger Observatory. An analytical calculation for the inelasticity in the laboratory frame with LIV of any a + b → c + d interaction is presented and used to obtain the phase space and the energy losses of the pion production for protons, the photodisintegration for nuclei and the pair production for photons with LIV. A parametrization for the threshold energy of the photodisintegration with LIV is also proposed. The main effect seen is a decrease in the phase space and a resulting decrease in the energy loss. These changes have been implemented in Monte Carlo propagation codes and the resulting spectra of protons, nuclei and photons on Earth have been obtained and fitted to the data from the Pierre Auger Observatory. It is shown that upper limits on the photon LIV coefficient can be derived from the upper limits on the photon flux from the Pierre Auger Observatory. / Relatividade é uma das mais importantes e bem testadas teorias e a invariância de Lorentz é um de seus pilares. A violação da invariância de Lorentz (VIL), todavia, tem sido discutida em diversos modelos de gravidade quântica e altas energias. Por tal motivo, é crucial testá-la. Diversos testes, tanto terrestres quanto astrofísicos, foram realizados nos últimos anos e fornecem limites na violação. Este trabalho se insere nesses esforços e discute a possibilidade de testar VIL com raios cósmicos de altíssima energia. Os efeitos da VIL em sua propagação e as consequentes mudanças no espectro de raios cósmicos de altíssima energia são obtidos e comparados com os dados experimentais do Observatório Pierre Auger. Um cálculo analítico para a inelasticidade no referencial do laboratório com VIL para qualquer interação da forma a + b → c + d é apresentado e usado para obter o espaço de fase e as perdas de energia para a produção de píons para prótons, a fotodesintegração para núcleos e a produção de pares para fótons com VIL. Uma parametrização para o limiar de energia da fotodesintegração com VIL também é proposta. O principal efeito observado é uma diminuição no espaço de fase e uma consequente diminuição nas perdas de energia. Tais mudanças foram implementadas em códigos de Monte Carlo para a propagação e os espectros resultantes para prótons, núcleos e fótons na Terra foram obtidos e ajustados aos dados do Observatório Pierre Auger. É mostrado que limites superiores nos coeficientes de VIL para o fóton podem ser deduzidos dos limites superiores para o fluxo de fótons do Observatório Pierre Auger.

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.