Cosmic Rays have come to play an important role in understanding the universe, and astroparticle physics has undergone major developments in the last few decades. As such, several observatories have been set up with the purpose of detecting these particles, and simulation frameworks have been developed in order to further analyze their behavior by creating highly variable environments and parameters. This work covers the essential theory required to study propagation of Ultra- High-Energy Cosmic Rays restricted to linear one-dimensional propagation only; this includes the primary methods of energy loss during propagation, mainly through reactions with the photon background like photo-pion production and photo-disintegration, and additional cosmological effects. The study was done using the CRPropa 3.0 simulation framework. To determine the best possible maximum energy for the simulations, initial trials were done by testing the GZK cutoff for multiple energy values, followed by an analysis of heavier nuclei propagation. As a final complete test run, a model of the cosmic ray spectrum for energies above 1018 eV was made based on two data sets, one made from the average composition of the whole CR energy spectrum, and the other from The Pierre-Auger Observatory measurements for the high energy range. The results showed that initial source composition was the determining factor in the shape of the CR spectrum. These initial simulations done in this work will set the ground for future more complex simulations and studies. / Los rayos cósmicos juegan un papel importante en nuestro entendimiento del universo, por eso, la física de astropartículas ha sido desarrollada en gran medida en estas últimas décadas. Varios observatorios han sido construidos con el propósito de detectar estas partículas, y a su vez se han desarrollado programas de simulaciones para analizar su comportamiento usando ambientes y variables con una alta variabilidad. Este trabajo cubre la teoría necesaria para estudiar la propagación de rayos cósmicos de ultra-altas energías restringido a una sola dimensión; esto incluye las principales causas de pérdida de energía durante su propagación, principalmente a través de interacciones con el fondo de fotones como la fotoproducción de piones y fotodesintegración, así como otros efectos cosmológicos. Este estudio fue realizado con el programa de simulaciones CRPropa 3.0. Para determinar la mejor energía máxima para las simulaciones, los primeros ensayos comprobaron el límite GZK para múltiples valores de energía, seguido de un análisis de la propagación de núcleos más pesados. A manera de ensayo final, un modelo del espectro de rayos cósmicos para energías mayores a 1018 eV fue hecho basado en dos grupos de datos, uno a partir de la composición general promedio de todo el espectro de energías de los rayos cósmicos, y el otro a partir de mediciones hechas por el observatorio Pierre-Auger para altas energías. Los resultados muestran que la composición inicial de la fuente es el factor determinante en la forma del espectro. Las simulaciones iniciales hechas en este trabajo serán utilizadas como base para futuras y más complejas investigaciones.

Descubrir nuevas fuentes de rayos gamma de alta energía de origen galáctico (por ejemplo, en el centro galáctico o las Burbujas de Fermi) y extragaláctico (como cuásares o blazares) es de gran interés para la comunidad de física de astropartículas. Actualmente, los observatorios HAWC y LHAASO, ubicados en el hemisferio norte, utilizan detectores basados en el efecto Cherenkov en agua para detectar continuamente partículas secundarias de duchas atmosféricas iniciadas por rayos gamma primarios en la atmósfera. Dado que no existe un experimento equivalente en el hemisferio sur, el futuro observatorio de rayos gamma SWGO completará la cobertura del cielo para observatorios de alto ciclo de trabajo y campo de visión amplio. Su sitio propuesto por encima de los 4400 m estará ubicado en los Andes del Sur, con Chile, Argentina y Perú como países candidatos. El diseño de SWGO consiste en un arreglo de tanques de agua con dos núcleos circulares: el núcleo interno, alcanzando un radio de 160 m, con un 88% de área sensible y el anillo exterior, alcanzando un radio de 300 m, con un factor de llenado del 5%. Para identificar fuentes de rayos gamma, las partículas primarias deben reconstruirse a partir de las duchas aéreas que llegan al arreglo de detectores, obteniendo su energía, dirección y tipo. Un separador gamma/hadrón describe las características de las duchas aéreas para distinguir entre rayos gamma, considerados como señal, y hadrones (es decir, rayos cósmicos) que se consideran ruido. Esta tesis propone una variable alternativa de separador gamma/hadrón para distinguir entre tipos de duchas atmosféricas utilizando la distribución de tiempo de llegada de partículas secundarias a SWGO. Para definir la mejor nueva variable basada en el tiempo utilizamos el software CORSIKA para simular el desarrollo de la ducha aérea en la atmósfera hasta la llegada de las partículas secundarias al arreglo de tanques Cherenkov de agua. El análisis se realizó utilizando las condiciones geomagnéticas del sitio candidato de Imata en Arequipa, Perú, ubicado a 4500 metros sobre el nivel del mar. Consideramos como primarios fotones y protones con una trayectoria vertical en el centro del arreglo en el rango de energía de 1 a 100 TeV. El parámetro de separación óptimo encontrado es el tiempo para el percentil 15% de las partículas que llegan dentro de un anillo de 100 a 150 m. Tras el cálculo y la evaluación de la muestra de simulación, la señal reconocida es ≳ 88% en promedio y el rechazo de fondo es (≳ 90%). Ambos desempeños son comparables a usar la variable estándar de conteo de muones. / Discovering new sources of high energy gamma rays of galactic (e.g. in the galactic center or the Fermi Bubbles) and extragalactic origin (such as quasars or blazars) is of great inter- est to the astroparticle physics community. Currently the HAWC and LHAASO observatories, located in the Northern hemisphere, use detectors based on the Cherenkov effect in water to continuously detect secondary particles from atmospheric showers initiated by primary gamma rays in the atmosphere. Since there is no equivalent experiment in the Southern hemisphere, the future gamma-ray observatory SWGO will complete the sky coverage for high duty cycle and wide field of view observatories. Its proposed site above 4400 m will be located in the Southern Andes, with Chile, Argentina and Peru as candidate countries. The SWGO refer- ence configuration consists of an array of water tanks with two circular cores: the inner core, reaching 160 m radius, with 88% sensitive area and the outer ring, reaching 300 m radius, with a 5% fill-factor. To identify gamma ray sources, primary particles need to be reconstructed from the air showers reaching the detector array, obtaining their energy, direction and type. A gamma/hadron separator describes the characteristics of the air showers to distinguish be- tween gamma rays, considered as signal, and hadrons (i.e. cosmic rays) that are considered noise. This thesis proposes an alternative gamma/hadron separator variable to distinguish be- tween types of atmospheric showers by using the arrival time distribution of secondary particles reaching SWGO. To define the best new time-based variable we use the CORSIKA software to simulate the development of air showers in the atmosphere up to the arrival of secondary particles at the array of water Cherenkov tanks. The analysis was done using the geomagnetic conditions of the Imata candidate site in Arequipa, Perú, located at 4500 meters above sea level. We considered as primaries photons and protons with a vertical trajectory in the center of the array in the energy range from 1 to 100 TeV. The optimal separation parameter found is the time for the 15% percentile of arriving particles inside a ring of 100 to 150 m. Following the calculation and evaluation of the simulation sample, the recognized signal is ≳ 88% on aver- age, and the background rejection is ≳ 90%. Both performances are comparable to using the standard muon count variable.

A number of di erent e ects of the violation of the Equivalence Principle (VEP), taken as sub-leading mechanism of neutrino avor oscillation, are examined within the framework of the DUNE experiment. We study the possibility of obtaining a misleading neutrino oscillation parameter region caused by our unawareness of VEP. Additionally, we evaluate the impact on the measurement of CP violation and the distinction of neutrino mass hierarchy at DUNE. Besides, limits on VEP for a wide variety of textures of the matrix that connects neutrino gravity eigenstates to avor eigenstates are imposed. An extra-task of our study is to set limits on Hamiltonian added terms considering di erent energy dependencies (En, with n = 0; 1; 2; 3) that can be associated to the usual Lorentz violating terms de ned in the Standard Model Extension Hamiltonian. In order to understand our results, approximated analytical three neutrino oscillation probability formulae are derived. / Trabajo de investigación

The Standard Model (SM) of particle physics consists in a description of all the known elemen-tary particles and their interactions. As far as it is known, the SM has passed all experimental tests, but presents some imperfections such as the presence of neutrino masses and the hierarchy problem. This encourages to probe theories beyond the Standard Model (BSM) that could bring solutions to these problems. An interesting proposal is to search for neutral long lived particles (LLP). These type of particles have long decay lengths and can be generated by a variety of BSM models such as Supersymmetry (SUSY), which proposes a solution to the hierarchy problem, and the Seesaw Mechanism that generates massive neutrinos. The detection of the decay products of LLPs would contribute to the discovery of new physics. The objective of this work is to develop a toy detector based on C++ and Pythia8 with the purpose of creating a tool for searches of neutral long lived particles. All the features, including the geometric characteristics and the particle accep- tance are constructed with information from the sub detectors of the CMS experiment. We use a Minimal SUSY process that violates R parity (RPVMSSM) to simulate processes producing LLPs in MadGraph5 and study the response of the toy detector. We conclude our simulation properly recreates important experimental conditions, and is suitable as a first step towards an international competitive particle physics tool.

En el modelo estandar de física de partículas, los neutrinos son descritos en terminos de fermiones no masivos con quiralidad de mano izquierda. Sin embargo, la observación de las oscilaciones de neutrinos implica que los neutrinos tienen masa. Esto incentiva la búsqueda de extensiones del modelo estándar que expliquen la masa de los neutrinos. Uno de estos modelos es el dimension-5 seesaw portal, en el cual se utiliza una combinación del mecanismo seesaw tipo 1 y operadores efectivos de dimensión cinco para modificar el lagrangiano del modelo estándar. El objetivo de este trabajo es derivar fórmulas para calcular la anchura de decaimiento de neutrinos pesados, en un modelo dimensión-5 seesaw portal que añade tres neutrinos masivos de Majorana con quiralidad de mano derecha, con masas en el rango GeV. Los resultados obtenidos fueron graficados para analizar la importancia de cada termino y se encontró que la contribución proveniente de los términos de decamientos a tres cuerpos con operadores de dimensión cinco es pequeña. Esto es debido a que su inclusión reduce la distancia que podría viajar el neutrino antes de desintegrarse en un pequeño porcentaje < 6%. Por lo que si bien son necesarios para un calculo completo, se pueden excluir estos términos si es que no se requiere alta precisión. / In the Standard Model(SM), neutrinos are described in terms of massless left handed fermions, however the observation of neutrino flavor oscillations indicates non vanishing neutrino masses. This is an incentive for new physics beyond the standard model. One approach to explain neutrino masses is known as dimension-5 seesaw portal, in which the SM Lagrangian is modified using a combination of type I Seesaw and dimension five effective operators. The objective of this work is to derive formulae to compute the three-body decay of heavy neutrinos in a dimension-5 seesaw portal that adds three right handed Majorana neutrinos with masses in the GeV range to the SM. After obtaining the various formulae we plotted the results to analyze the relevance of each term, and found that the removal of the contribution of all terms coming from the three-body decays with dimension five operators only reduce the decay length by a few percent < 6% of the total decay length. Although the inclusion of these terms is necessary for an accurate result, it is possible to exclude them form calculations if precision is not of the utmost importance.

En este trabajo se presenta un estudio que busca correlaciones estadísticamente significativas entre eventos de rayos cósmicos ultra-energéticos (UHECR, por sus siglas en inglés) con fuentes astrofísicas de rayos gamma. Para tal propósito, se ha escogido datos de UHECR del Observatorio Pierre Auger y Telescope Array, de los cuales son usados los eventos que poseen una energía mayor a 80 EeV. UHECR provenientes de fuentes extragalácticas son, con mayor probabilidad, compuestos por protones y núcleos ligeros, como el helio y el nitrógeno, y también núcleos pesados como el hierro. Basados en las fracciones de los rayos cósmicos que compondrían estos núcleos simuladas por la colaboración del Observatorio Pierre Auger, realizamos pruebas asignando a cada evento un tipo de núcleo. Para cada prueba, se considera el límite Greisen - Zatsepin - Kuzmin (GZK) como una máxima distancia a la cual podríamos detectar las partículas; así como deflexiones en la trayectoria causadas por campos magnéticos galácticos y extragalácticos. Las fuentes astrofísicas de rayos gamma consideradas son tomadas de diferentes catálogos como TeVCat, 2WHPS y 3FHL de donde obtenemos el tipo de fuente, la distancia a la cuál se encuentra y el flujo de fotones que emite. Para cada catálogo se realiza una búsqueda de correlación espacial dentro de un error angular debido a la desviación por campos magnéticos y limitándose a una distancia máxima dada por la longitud de atenuación. El resultado debe sopesar las correcciones estadísticas por los diferentes intentos. Las fuentes galácticas del catálogo TeVCat son las únicas que tienen correlaciones con los eventos más energéticos de rayos cósmicos. Sin embargo, no es muy probable que estas fuentes puedan acelerar a las partículas hasta las energías que poseen.

El Modelo Estándar describe todas las partículas observadas en la naturaleza hasta el momento así como las características que gobiernan a las interacciones fundamentales entre ellas. En especial es posible identificar a las interacciones electromagnética y débil, las cuales bajo determinadas condiciones de temperatura y energía pueden ser descritas a través de una sola teoría que engloba a ambas. A esta teoría se le denomina electrodébil y tiene como finalidad caracterizar las propiedades de la interacción manifiesta a partir de la mezcla de las interacciones electromagnética y débil, la que también lleva como nombre interacción electrodébil. Particularmente, los neutrinos son de especial inter es ya que, por un lado, interactúan por medio de la interacción débil muy raramente en comparación con otras partículas y, por el otro, no son acertadamente descritos por el Modelo Estándar. Por medio de observaciones experimentales que demostraban que los neutrinos cambian de sabor al propagarse, fenómeno llamado oscilaciones de neutrinos, se pudo llegar a la conclusión de que la implicancia de este fenómeno da como consecuencia que los neutrinos efectivamente sí tienen masa, algo que entra en contradicción con la descripción inicial del Modelo Estándar, el cual los describe como partículas sin masa. Es de esta manera que las oscilaciones de neutrinos han sido y siguen siendo en la actualidad objeto de interés en la Física de Altas Energías tanto teórica como experimental. A fin de poder realizar mediciones precisas de oscilaciones de neutrinos, los experimentos encargados de estas mediciones deben tratar de reducir sus incertidumbres en lo posible. Una de estas proviene de la caracterización de las secciones de choque de los neutrinos cuando interactúan con la materia, particularmente los nucleones al interior de los núcleos atómicos. El experimento MINERVA está orientado, entre otras cosas, a hacer una correcta caracterización de secciones de choque neutrino-nucleón por medio del estudio de un tipo específico de interacción denominada corriente cargada, cuyas partículas de estado final incluye hadrones y, principalmente, muones. La precisión en los resultados de secciones de choque está sujeta a que la energía y el momentum estos muones sean, a su vez, correctamente caracterizados, incluyendo sus incertidumbres sistemáticas. El objetivo de este trabajo de tesis es precisamente presentar la metodología usada para medir las energías de los muones producidos por interacciones de neutrinos y sus correspondientes incertidumbres asociadas a dicha medición.

En este trabajo buscamos un método para diferenciar entre lluvias de partículas producidas por rayos cósmicos y por rayos gamma a energías de TeV, utilizando simulaciones CORSIKA. Este método intenta resolver el problema que existe en la búsqueda de señales de rayos gamma medidos por diversos experimentos frente a un fondo de flujo dominante de hadrones. Los resultados de este trabajo pueden aplicarse al estudio de Explosiones de Rayos Gamma (GRBs). Los GRBs emiten fotones muy energéticos, que al interactuar con la atmósfera terrestre, producen una gran cascada electromagnética de partículas secundarias, las cuales son detectables. El procedimiento sería simular eventos producidos por fotones, la señal, y protones, el fondo, que son las partículas más abundantes de los rayos cósmicos. Extraemos varios parámetros de los perfiles longitudinales de las lluvias de partículas, caracterizando las lluvias simuladas. Algunos de los parámetros de ajuste más importantes son el m_aximo de lluvia (Xmax), el ancho de la lluvia FWHM, el parámetro de asimetría, el número máximo de partículas Nmax y el comienzo de lluvia XStart. Existen diferentes experimentos utilizando tanques Cherenkov de agua y detectores de fluorescencia que pueden medir estos parámetros de las lluvias. Hemos probado dos métodos. El primero se basa en cortes simples, mientras que el segundo se basa en un análisis multivariado utilizando el paquete TMVA, que mejora los cortes individuales. El primer método se aplicó a las energías simuladas separadas de 102, 103, 104 y 105 GeV para encontrar cortes adecuados. Encontramos que Xmax, FWHM, Xstart y Nmax dependen de la energía. Posteriormente aplicamos estos cortes dependientes de la energía y otros cortes fijos a una muestra realista, que consiste en 104 eventos de señales (fotones) y 106 eventos de fondo (protones) que cubren un rango de energía de 102 a 105 GeV con diferentes espectros. Además, se introdujo un error en la energía simulada para simular la eficiencia de reconstrucción de energía de un detector. El resultado obtenido deja 54% eventos de señal y 12% eventos de fondo. Aplicando el análisis multivariado TMVA, encontramos que el método Boosted Decision Trees (BDT) era el mejor para distinguir la señal del fondo. El resultado para una eficiencia de señal similar fue 0:7% de eventos de fondo. Por último, utilizando cortes más estrictos en la BDT para mejorar la significancia, el resultado fue 1 evento de fotón por cada 1000 eventos de protón. Dada la proporción de flujo inicial, significa una capacidad de rechazo de fondo de 103. Por lo tanto, la viabilidad de la separación gamma/hadrón requiere una mejora adicional. / In this work we search for a method to differentiate between particle showers produced by cosmic rays and by gamma rays at TeV energies, using CORSIKA simulations. This method tries to solve the dominant hadron flux background problem when looking for gamma-ray signals measured by different experiments. The results of this work can be applied to the study of Gamma-Ray Bursts (GRBs). GRBs emit very energetic photons, which after interacting in the Earth's atmosphere, produce a large detectable electromagnetic cascade of secondary particles. The procedure will be to simulate events produced by photons, the signal, and protons, the most abundant cosmic-ray background. We extract several parameters from fitting particle air-shower longitudinal profiles, characterizing the simulated showers. Some of the most important _t parameters are the shower maximum (Xmax), the width of the shower FWHM, the asymmetry parameter, the maximum number of particles Nmax and the shower start Xstart. There are different experiments using water Cherenkov tanks and fluorescence detectors which can measure these shower parameters. We tested two methods. The first relies on simple cuts, while the second is based on a multivariate analysis using the TMVA package, which improves individual cuts. The first method was applied to single simulated energies of 102, 103, 104 and 105 GeV to find adequate cuts. We found that Xmax, FWHM, Xstart and Nmax depend on the energy. Later we applied these energy-dependent cuts and other fixed cuts to a realistic sample, which consists of 104 signal events (photons) and 106 background events (protons) covering an energy range from 102 to 105 GeV with different spectra. Moreover, we introduced an energy smearing to simulate a detector energy reconstruction efficiency. The obtained result leaves 54% signal events and 12% background events. Applying the multivariate analysis TMVA, we found that the Boosted Decision Trees (BDT) method was the best for distinguishing signal from background. The result for a similar signal efficiency was 0:7% of background events. Finally using tighter cuts on the BDT to improve the significance results in 1 photon event for every 1000 protons. Given the initial ux proportion, it means a 103 background rejection capability. Thus the feasibility of gamma/hadron separation requires further improvement. / Trabajo de investigación

En la presente tesis se estudia el potencial del DUNE Near Detector (DUNEND) para establecer límites a neutrinos pesados (HNL). Esto es realizado a través de un estudio de cómo los HNL afectan las tasas de producción y las distribuciones angulares de los neutrinos activos. Se demuestra que la producción de HNL en DUNE produce un déficit de eventos de corriente cargada (CC) en el Liquid Argon Time Proyection Chamber (LArTPC) de DUNEND y se utiliza esto para estimar la sensibilidad de DUNE a HNLs. Nuestro análisis revela que la sensibilidad depende fuertemente de las incertidumbres sistemáticas en las predicciones del flujo de neutrinos de DUNE. Asumiendo 10 años de operación (5 en modo neutrino y 5 en modo antineutrino) se obtienen los límites |Uμ4|2 < 9×10−3(4×10−2) y |Ue4|2 < 7×10−3(3×10−2) para masas por debajo de 10 MeV y una incertidumbre del 5%(20%) en la normalización de la predicción de los eventos de corriente cargada de neutrinos. Estos límites son mejores que aquellos que pueden ser alcanzados por las búsquedas directas en DUNE para masas por debajo de los 2(10) MeV. Para el caso de una incertidumbre conservadora del 20%, los límites obtenidos solo pueden mejorar los límites experimentales actuales en |Ue4|2 por un factor de 3 en una pequeña región alrededor de 5 eV y establecer límites en |Uμ4|2 en una región de masas libre de restricciones (40 eV - 1 MeV). / In the present thesis we study the potential of the DUNE Near Detector (DUNEND) for establishing bounds for heavy neutral leptons (HNL). This is achieved by studying how the presence of HNLs affects the production rates and angular distributions of active neutrinos. We show that HNL production at DUNE creates a deficit in the neutrino charged current (CC) events at the Liquid Argon Time Proyection Chamer (LArTPC) of the DUNEND and use this to estimate the sensitivity of DUNE to HNLs. Our analysis reveals that the sensitivity is heavily dependent on the systematic uncertainties in the DUNE neutrino flux predictions. For 10 years of operation (5 in neutrino and antineutrino mode) we obtain limits of |Uμ4|2 < 9×10−3(4×10−2) and |Ue4|2 < 7×10−3(3×10−2) for masses below 10 MeV and a 5%(20%) overall normalization uncertainty in the neutrino charged current event rates prediction. These limits are better than those that can be achieved by DUNE direct searches for the case of a 5%(20%) uncertainty within the region of masses below 2(10) MeV. When a conservative 20% uncertainty is present, the limits obtained can only improve current experimental constraints on |Ue4|2 by up to a factor of 3 in a small region around 5 eV and set limits on |Uμ4|2 in a mass region free of constraints (40 eV - 1 MeV).

Orientador: Gastão Inácio Krein / Resumo: Existem poucas dúvidas de que a QCD seja a teoria correta das interações fortes. As dificuldades em resolver a teoria em baixas energias no regime fortemente acoplado e não perturbativo tem deixado sem respostas muitas questões importantes, tais como a natureza do confinamento e o mecanismo de hadronização. Diversos métodos têm sido usados para estudar suas propriedades e consequências a baixas energias. Esses métodos incluem a QCD na rede, as equações de Dyson- Schwinger, a teoria de perturbação chiral e os modelos de quarks. Recentemente, a dualidade gauge/gravidade tem fornecido uma nova maneira de acessar o regime fortemente acoplado de uma teoria de calibre via uma teoria de gravidade dual, em especial da QCD através de modelos holográficos. Tais modelos são usualmente denominados modelos holográficos para a QCD, ou apenas modelos AdS/QCD. Nesta tese investigamos importantes problemas de interesse atual em física hadrônica envolvendo as quebras das simetrias chiral e de sabor usando modelos holográficos para a QCD. Estes problemas são: (1) o desaparecimento das constantes de decaimento leptônicas dos estados excitados do pion no limite quiral; (2) os efeitos da quebra de simetria de sabor no acoplamentos do méson rho aos mésons charmosos D and D^{*} e seus fatores de forma eletromagnéticos; (3) os efeitos de um campo magnético e da temperatura sobre o condensado quiral, sinalizando uma catálise magnética inversa. / Abstract: There is little doubt that QCD is the correct theory for the strong interactions. The difficulties in solving the theory at low energies in the strongly interacting, non-perturbative regime have left unanswered many important questions, such as the nature of confinement and the mechanism of hadronization. Several approaches have been used to study its properties and consequences at low energies. These include lattice QCD, Dyson-Schwinger equations, chiral perturbation theory and quark models. More recently, the gauge/gravity duality has provided a new way to access the strongly coupled regime of a gauge theory via a dual gravity theory, in special of QCD through holographic models. Such models are usually named as holographic QCD models, or just AdS/QCD models. In this thesis, we investigate three problems of contemporary interest in hadronic physics involving the chiral and flavor symmetries holographic QCD models. These problems are: (1) the vanishing of the leptonic decay constants of the excited states of the pion in the chiral limit; (2) the effects of the flavor symmetry breaking on the strong couplings of the rho meson to the charmed D and D^{*} mesons and the their electromagnetic form factors; (3) the effects of a magnetic field and temperature on the chiral condensate, signalizing inverse magnetic catalysis. / Doutor