Neste trabalho estudam-se três aplicações de mecanismos de produção de partículas no universo pós inflacionário. Apesar da motivação inicial para esses mecanismos ter sido o reaquecimento do universo, eles foram utilizados, posteriormente, para produzir partículas supermassivas. A produção de partículas, sejam elas supermassivas ou não, depende essencialmente do modelo inflacionário utilizado. Aqui, trabalha-se com modelos inflacionários caóticos gerados por um campo escalar, o inflaton. A primeira aplicação estuda a produção de partículas supermassivas pelo mecanismo de pré-aquecimento instantâneo que é não perturbativo. Estabelece-se os limites dos parãmetros desse mecanismo impondo que essas partículas constituam parte da matéria escura e que seu decaimento, hoje, produzam os raios cósmicos de altíssimas energias. A segunda aplicação é um estudo numérico de como teria sido o reaquecimento do universo, num modelo inflacionário quintessencial, com partículas tendo sido produzidas através do mecanismo de pré-aquecimento instantâneo. Esses modelos inflacionários são utilizados para explicar a origem da energia escura que parece dominar o universo hoje. Obtém-se a faixa de temperaturas de reaquecimento permitidas. A terceira aplicação também estuda a produção de partículas supermassivas para explicar os raios cósmicos de altíssimas energias, mas por um mecanismo perturbativo. As partículas seriam o produto do decaimento direto do inflaton após a inflação. Obtém se limites para razão de ramificação deste decaimento, impondo restrições para a vida média das partículas supermassivas e para a sua abundância hoje. / We studied three applications of the mechanisms of particle production in the early universe. Although such mechanisms were first proposed to reheat the universe they were used lately to produce supermassive particles. The production of supermassive or massless particles depends mainly on the inflationary model that we work with. Here, we chose the chaotic inflationary models generated by one scalar field, the inflaton. In the first application we studied the production of supermassive particles by the non-perturbative instant preheating mechanism. We used cosmic ray flux and cold dark matter observational data to constrain the parameters of the model, since we are supposing that such particles may account for a fraction of the cold dark matter as well as decay into high energy cosmic rays. In the second application we perform a numerical study of the instant preheating mechanism of particle production in a model of quintessential inflation. Such inflationary models are used to explain the dark energy that seems to dominate the universe nowadays. We obtained the reheating temperatures allowed by this mechanism. The third application studied the supermassive particle production by a perturbative mechanism to explain high energy cosmic rays. The inflaton would have decayed into such particles after inflation. By constraining their lifetime and present abundance we obtained the branching ratio of such decay.

O objetivo desta dissertação é a busca de anisotropias em grandes escalas angulares no fluxo de raios cósmicos acima de 4 × 10^{18} eV e o confronto dos resultados obtidos com as previsões dos principais modelos astrofísicos na região de ultra altas energias. Com esse propósito foram analisados os dados de chuveiros atmosféricos extensos registrados pelo Observatório Pierre Auger no período de 01 de janeiro de 2004 até 31 de agosto de 2016, compreendendo um total de 108 480 eventos detetados com ângulos zenitais entre 0 e 80 graus acima de 4 × 10^{18} eV. Efeitos sistemáticos locais como a influência da variação das condições atmosféricas e a influência do campo geomagnético nos estimadores de energia das cascatas atmosféricas foram corrigidos cuidadosamente para evitar a introdução de sinais espúrios de anisotropias na análise. Especial ênfase foi dedicada à construção de um mapa bidimensional na esfera celeste com os valores da exposição para cada direção no céu, calculado com uma precisão de 1% a partir da informação da área de coleção efetiva no Observatório Pierre Auger a cada minuto. Da mesma forma, a distribuição das direções de chegada dos eventos foi registrada em mapas bidimensionais na esfera celeste que, após corrigidos pela exposição, são transformados nos mapas de fluxo usados na análise quantitativa para a busca de anisotropias. Neste trabalho procurou-se padrões dipolares de anisotropias, os quais foram quantificados usando o método de expansão multipolar em harmônicos esféricos. Diferentemente do método bidimensional de Rayleigh usado na maioria dos estudos deste tipo, o método aqui utilizado fornece de maneira direta as três componentes cartesianas do dipolo, por meio das quais a reconstrução da amplitude e orientação espacial do dipolo é feita de maneira mais natural. A busca de anisotropias foi realizada em dois intervalos de energia independentes, assim foram analisados por separado os eventos com energias entre 4 × 10^{18} e 8 × 10^{18} eV e de energias maiores que 8 × 10^{18} eV. No primeiro intervalo não foi encontrado nenhum sinal de anisotropia estatisticamente significativo. No segundo intervalo foi encontrada uma anisotropia dipolar de amplitude d = (7.9 ± 1.1)% com coordenadas equatoriais (_d , _d ) = (103 ± 10 , 38 ± 7 ) graus e uma probabilidade de ocorrência ao acaso de 6.90 × 10^{8} , correspondendo a uma significância estatística acima do limiar de descoberta de 5 . Tal amplitude e direção são melhor explicadas assumindo-se uma origem extragaláctica para os raios cósmicos com energias acima de 8 × 10^{18} eV. / The aim of this dissertation is the search for large scale anisotropies in the cosmic ray flux above 4 × 10^{18} eV and the comparison of the results with the predictions of the main astrophysical models in the ultra high energy region. With this purpose we analyzed the data of extensive air showers detected by the Pierre Auger Observatory in the period of 1st January 2004 to 31st August 2016 comprising a total of 108 480 events with zenith angles between 0 and 80 degrees above the threshold of 4 × 10^{18} eV. Local systematic effects such as the influence of the variation of the atmospheric conditions and the effect of the geomagnetic field in the energy estimators were properly corrected to avoid the introduction of spurious anisotropy signals in the analysis. Special emphasis was placed on the construction of a two-dimensional map on the celestial sphere with the exposure values for each direction on the sky, calculated with an accuracy of 1% from the information of the effective collection area of the observatory at every minute. Likewise, the arrival directions distribution of the events was recorded in two-dimensional maps on the celestial sphere that after correcting by the exposure were transformed into the flux maps to be used in the quantitative analysis for the anisotropies search. In this work we search for dipolar-like anisotropy patterns, which were quantified by performing a spherical harmonics decomposition of the cosmic ray flux map. Unlike the traditional two-dimensional Rayleigh method used in the majority of the studies of this kind, the method used here directly provides the three cartesian components of the dipole, allowing the reconstruction of its amplitude and orientation in a more natural way. The anisotropy search was made in two independent energy bins, so the distributions of the events with energies between 4 × 10^{18} and 8 × 10^{18} eV and those with energies greater than 8 × 10^{18} eV were analyzed separately. In the first energy bin no statistically significant departure from isotropy was found. In the second energy bin a dipole anisotropy of amplitude d = (7.9 ± 1.1)% with equatorial coordinates (_d , _d ) = (103 ± 10 , 38 ± 7 ) degrees and a chance probability of 6.90 × 10^{8} was found, corresponding to a statistical significance above the discovery threshold of 5 . Such amplitude and direction for the reconstructed dipole is better explained if an extragalactic origin is assumed for the bulk of cosmic rays above 8 × 10^{18} eV.

Neste trabalho estudam-se três aplicações de mecanismos de produção de partículas no universo pós inflacionário. Apesar da motivação inicial para esses mecanismos ter sido o reaquecimento do universo, eles foram utilizados, posteriormente, para produzir partículas supermassivas. A produção de partículas, sejam elas supermassivas ou não, depende essencialmente do modelo inflacionário utilizado. Aqui, trabalha-se com modelos inflacionários caóticos gerados por um campo escalar, o inflaton. A primeira aplicação estuda a produção de partículas supermassivas pelo mecanismo de pré-aquecimento instantâneo que é não perturbativo. Estabelece-se os limites dos parãmetros desse mecanismo impondo que essas partículas constituam parte da matéria escura e que seu decaimento, hoje, produzam os raios cósmicos de altíssimas energias. A segunda aplicação é um estudo numérico de como teria sido o reaquecimento do universo, num modelo inflacionário quintessencial, com partículas tendo sido produzidas através do mecanismo de pré-aquecimento instantâneo. Esses modelos inflacionários são utilizados para explicar a origem da energia escura que parece dominar o universo hoje. Obtém-se a faixa de temperaturas de reaquecimento permitidas. A terceira aplicação também estuda a produção de partículas supermassivas para explicar os raios cósmicos de altíssimas energias, mas por um mecanismo perturbativo. As partículas seriam o produto do decaimento direto do inflaton após a inflação. Obtém se limites para razão de ramificação deste decaimento, impondo restrições para a vida média das partículas supermassivas e para a sua abundância hoje. / We studied three applications of the mechanisms of particle production in the early universe. Although such mechanisms were first proposed to reheat the universe they were used lately to produce supermassive particles. The production of supermassive or massless particles depends mainly on the inflationary model that we work with. Here, we chose the chaotic inflationary models generated by one scalar field, the inflaton. In the first application we studied the production of supermassive particles by the non-perturbative instant preheating mechanism. We used cosmic ray flux and cold dark matter observational data to constrain the parameters of the model, since we are supposing that such particles may account for a fraction of the cold dark matter as well as decay into high energy cosmic rays. In the second application we perform a numerical study of the instant preheating mechanism of particle production in a model of quintessential inflation. Such inflationary models are used to explain the dark energy that seems to dominate the universe nowadays. We obtained the reheating temperatures allowed by this mechanism. The third application studied the supermassive particle production by a perturbative mechanism to explain high energy cosmic rays. The inflaton would have decayed into such particles after inflation. By constraining their lifetime and present abundance we obtained the branching ratio of such decay.

Extensive air showers’ (EAS) observables sensible to primary cosmic ray mass are a valuable asset in constraining competing astrophysical and particle physics scenarios proposed both to explaining cosmic rays features, such as their all-particle spectra, as well as their origin. These observables, however, need to be interpreted by comparison to EAS simulations, which are a source of great uncertainty. Shower simulations need to rely on a technique called thinning, an algorithm created to reduce computing time and storage requirement. In this work, we evaluate the effects of thinning over the muon production profile of an EAS simulation. For heavier particles it appears that thinned showers generate profiles with a deeper maximum, while results were not conclusive for protons and photon primaries. We investigate the thinning technique by constructing a toy model for shower simulations in which we have full control of the thinning implementation. To that end, we parameterized the energy distribution and particle production multiplicity from proton-air interactions and proton-pion interactions. However, we find that thinning effects over our model were too severe, rendering it impossible to draw further conclusions about its effects on full air showers simulations. / Observáveis sensíveis à composição de raios cósmicos primários em chuveiros atmosféricos extensos são um recurso valioso na constrição de cenários competidores em astrofísica e física de partículas, propostos tanto para explicar características dos raios cósmicos, como o espectro de energia de todas as partículas, quanto sua origem. Estes observáveis, no entanto, precisam ser interpretados por comparação a simulações de chuveiros atmosféricos, que constituem fonte de grandes incertezas. Simulações de chuveiros são dependentes de uma técnica chamada thinning, um algoritmo criado para reduzir o tempo de computação e exigências de armazenamento. Neste trabalho, nós avaliamos os efeitos do thinning sobre o perfil de produção de múons em uma simulação de chuveiro atmosférico. Para partículas mais pesadas, aparentemente, chuveiros sujeitos ao thinning geram perfis com máximos mais profundos, e para prótons e fótons nossas análises foram inconclusivas. Nós investigamos a técnica do thinning construindo um simulador de chuveiros simplificado, em que o total controle sobre a implementação do thinning é garantido. Para este fim, parametrizamos a distribuição de energia e a multiplicidade de partículas em interações de próton com o ar e de píons com o ar. Entretanto, descobrimos que o efeito do thinning sobre o nosso modelo era muito severo, tornando impossível concluir seus efeitos sobre simulações completas.

Orientador: Marcelo Moraes Guzzo / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-07T11:07:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MouraJunior_CelioAdregade_D.pdf: 3776986 bytes, checksum: 07c139c8c30b32426082bda432e718e0 (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: Fazemos uma estimativa do número de Chuveiros Atmosféricos Extensos originados por neutrinos do tau em Detetores de Fluorescência como os do Observatório Pierre Auger. Consideramos modelos de produção de neutrinos do elétron e do múon de altíssimas energias em objetos extra galácticos e Defeitos Topológicos, assim como mudança de sabor na propagação dos neutrinos da fonte até a Terra. Para a seção de choque dos neutrinos utilizamos um modelo que extrapola os parâmetros do Modelo Padrão até energias da ordem de 1021 e V. Porém esses parâmetros foram comprovados até a ordem de 1012 e V. gerando incertezas nos números obtidos para altíssimas energias. Concluímos que, dependendo da relação entre fluxo e seção de choque, existe uma região restrita de energia dos neutrinos do tau que pode gerar eventos com chuveiros atmosféricos duplos detectáveis em Detetores de Fluorescência. A energia dos neutrinos do tau deve ser de aproximadamente 1018 e V e o número de eventos pode variar algumas ordens de magnitude em torno de um evento por ano, dependendo dos modelos propostos e das caracteristicas do detetor / Abstract: We calculate the possible number of Extensive Air Showers originated by tau neutrinos in Fluorescence Detectors like the ones of the Pierre Auger Observatory. We consider models of production of electron and muon neutrinos in extra galactic objects and Topological Defects, as well as the possibility of neutrino flavor change in the propagation of the neutrinos between the source and the Earth. The neutrino cross section was calculated by the extrapolation of the standard model parton distribution functions until energies of the order of 1021 e V. However, due to uncertainties in the extrapolation for energies higher than 1012 e V the results are not robust. We conclude that, depending on the relation between flux and cross section, there is a strict range of energy for the tau neutrinos to generate double extensive air showers detectable in Fluorescence Detectors. The tau neutrino energy must be approximately 1018 e V and the event rate can vary some orders of magnitude around one event per year , depending on the flux-cross section relation and detector characteristics / Doutorado / Física das Particulas Elementares e Campos / Doutor em Ciências

Este trabalho tem como objetivo investigar a implementação de uma sequência de ensino e aprendizagem sobre tópicos de Astrofísica de Partículas para o Ensino Médio. Buscou-se determinar o ponto de impacto e a direção de chegada de um raio cósmico primário ao solo, utilizando dados do Observatório Pierre Auger. A fim de identificar elementos relevantes dessa sequência, analisamos a maneira como os estudantes interagiram e realizamos refinamentos progressivos a fim de aperfeiçoá-la. No refinamento da sequência de ensino, a análise dos dados obtidos desempenhou um importante papel, já que indicou os caminhos a serem tomados para que a atividade desenvolvida fizesse parte do repertório de conhecimentos do aluno. Esperou-se que esse conhecimento, longe de ser mecânico e passageiro, fosse significativo ao aluno no sentido de que os conteúdos tratados se entrelaçassem a conhecimentos prévios e se transformassem em conhecimento mais estáveis e ricos em significados. Por este viés, a Teoria da Aprendizagem Significativa de Ausubel norteou a escolha do método de avaliação e interpretação dos dados coletados neste estudo. Assim, de acordo com o referencial teórico adotado, os mapas conceituais apresentaram-se como forma de análise e serviram de avaliação do conhecimento obtido pelos estudantes e, por conseguinte, da sequência didática proposta. Conforme indicou a análise dos mapas conceituais, a maior parte das informações relacionadas com a dinâmica de determinação do ponto de impacto e da direção de chegada de um raio cósmico primário começou a ter significado na estrutura de conhecimentos dos alunos. Assim, o conteúdo raios cósmicos mostrou-se possível de ser ensinado na sala de aula do Ensino Médio. / This paper aims at investigating the implementation of a teaching and learning sequence for particle Astrophysics topics in High School. Our aim is to determine the impact point and direction of a primary cosmic ray to the ground, using the Pierre Auger Observatory data. To identify the relevant elements of this sequence, we analyzed the way in which students interacted and then implemented progressive refinements to improve it. The data analysis played an important role in refining the teaching sequence, enabling the results to form part of the students\' knowledge. It is hoped the knowledge gained has been significant for the students and when added to previous knowledge has helped them develop a more stable and rich understanding of the subject. Ausubel\'s theory guided the choice of the evaluation method and interpretation of data collected in this study. According to the theoretical approach, the conceptual maps were presented as a way of analyzing and evaluate the knowledge gained by students and therefore the proposed didactic sequence. As indicated by analysis of the conceptual maps, most of the information related to the dynamics of determination of the impact point and the direction of arrival of a primary cosmic ray began to have meaning in students\' knowledge structure. Along these lines, the content cosmic rays proved possible to be taught in the high school classroom.

Orientador: Carola Dobrigkeit Chinellato / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-22T13:08:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Castilho_CamileMendes_M.pdf: 4872331 bytes, checksum: 59af4c2607b071fd467957e83946bcf8 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Duas questões importantes no estudo da física de raios cósmicos são quais são as fontes astrofísicas dessas partículas e como é o campo magnético por elas atravessado. O Observatório Pierre Auger, localizado na província de Mendoza, na Argentina, é um experimento que tem como objetivo estudar raios cósmicos de altas energias (superior a 1 EeV). Entre os objetivos do observatório, está buscar possíveis fontes desses raios cósmicos e estudar o campo magnético por eles atravessado. Considerando que partículas ultra-energéticas sofrem deflexões em campos magnéticos que são inversamente proporcionais _as suas energias, espera-se que aquelas provenientes de uma mesma fonte cheguem á Terra com suas direções alinhadas sobre a esfera celeste e com desvios angulares satisfazendo essa dependência com a energia. Um grupo de raios cósmicos com suas direções e energias satisfazendo essas características é chamado de multipleto. Nesta dissertação, foram analisados 2196 raios cósmicos com energias acima de 20 EeV, detectados pelo Observatório Pierre Auger entre 1o de janeiro de 2004 e 22 de novembro de 2012, a _m de realizar uma busca por multipletos. Para encontrar estes multipletos, foi utilizado o Método da _Arvore de Extensão Mínima. Este método é utilizado para separar o conjunto de raios cósmicos em subconjuntos. Uma vez encontrados esses subconjuntos, foi verificado se as direções dos raios cósmicos do subconjunto satisfazem a correlação esperada entre as suas direções e os inversos de suas energias. Para isso foi calculado o coeficiente de correlação e a dispersão angular nas coordenadas dos raios cósmicos de cada subconjunto em um plano tangente _a esfera celeste no ponto correspondente _a direção média. Se o coeficiente de correlação for superior a um valor mínimo e a dispersão angular for menor do que um valor máximo pré-estabelecidos, o multipleto em questão é considerado um multipleto correlacionado. Após identificarmos estes multipletos, foi possível encontrar as posições das possíveis fontes dos raios cósmicos que o compõem e obter informação sobre o poder de deflexão do campo magnético por eles atravessado nas direções das respectivas fontes. Para o período em questão foram encontrados três multipletos correlacionados com um número de eventos igual ou superior a doze. Para estes três multipletos foram procuradas posições de possíveis fontes. Realizando uma comparação entre as posições encontradas e um catalogo de objetos astrofísicos, foram encontrados objetos próximos ás direções das fontes encontradas / Abstract: Two important questions in the study of ultra-high-energy cosmic rays are related to the astrophysical sources of these particles and the characteristics of the magnetic field they have traversed in their way from the sources to Earth. The Pierre Auger Observatory was designed and built in Argentina in order to address these and other questions about ultra-high energy cosmic rays. Its design goals included being able to measure ultra-high energy cosmic rays (above 1 EeV) with unprecedented statistics. Considering that the trajectories of ultra-high energy particles are defected by the magnetic fields traversed and that the defection is inversely proportional to their energies, it can be expected that particles having different energies and coming from a single source will arrive at Earth with their directions aligned on the celestial sphere and with angular deviations satisfying that dependence with the energy. A group of cosmic rays with their directions and energies satisfying those characteristics is called a multiplet. In this work, we search for multiplets in a data sample of 2196 cosmic rays with energies above 20 EeV recorded by the Pierre Auger Observatory between 1st January 2004 and 22nd November 2012. We applied the method of the minimum spanning tree to separate the whole data set into subsets and then analyzed the subsets, checking whether the directions of the cosmic rays in each subset satisfy the expected correlation with the inverse of their energies. After identifying multiplets which satisfy the correlation, it is possible to find theposition of the sources of the cosmic rays and estimate the defection power of the magnetic field these particles must have traversed in the corresponding directions of the sources. In the period covered by our analysis we have found three multiplets with twelve or more events. For each multiplet we have found the direction of the possible source and the defection power of the magnetic field and looked for nearby astrophysical objects in a catalog / Mestrado / Física / Mestra em Física

Orientadores: José Augusto Chinellato, Márcio Aparecido Müller / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-19T10:08:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Theodoro_VanessaMenezes_M.pdf: 42012954 bytes, checksum: 1cd4d5a5b5ebfd4b0836da1f0709faa6 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: O Observatório Pierre Auger foi construído para detectar raios cósmicos de altas energias. Um dos principais objetivos das pesquisas realizadas pelo Observatório Auger, é o estudo da composição de massa dos raios cósmicos primários. O conteúdo muônico dos chuveiros atmosféricos extensos, produzidos a partir das interações dessas partículas primárias no alto da atmosfera, é um dos parâmetros mais sensíveis para o estudo da composição de massa. Ao nível do solo, as partículas detectadas com os 1600 tanques Cherenkov, que constituem o detector de superfície do Observatório, são essencialmente uma mistura de fótons, elétrons e pósitrons, que formam a componente eletromagnética; e os múons da componente muônica dos chuveiros extensos. A contribuição relativa dessas componentes depende do estágio de desenvolvimento do chuveiro e da distância radial ao eixo do mesmo. Nas regiões mais afastadas do eixo do chuveiro, num determinado estagio de seu desenvolvimento, um chuveiro iniciado por um núcleo de ferro, pode sob as mesmas condições que um chuveiro com primário de próton, induzir até 40% mais múons. Um dos métodos possíveis para estimar a contribuição muônica é o uso da estrutura temporal do sinal Cherenkov no detector de superfície. Esses sinais digitalizados em FADCs, mostram que múons induzem picos de sinais acima de um contínuo eletromagnético formado de pequenos picos. De forma que essa estrutura de sinal característica das componentes dependem da distância radial ao eixo do chuveiro. Esse trabalho tem como objetivo contribuir para a identificação e discriminação das componentes muônicas e eletromagnética dos chuveiros, a partir de um desenvolvimento matemático sobre o método de análise ¿Muon Jump¿. O método de jumps é baseado nas estruturais temporais dos sinais das componentes registrados pelos tanques Cherenkov do Observatório Auger e digitalizados em unidades FADCs. Usando essa característica estrutura temporal dos sinais, poderemos estimar o sinal de cada componente, definindo filtros de separação nas distribuições temporais dos sinais das frentes dos chuveiros e nas distribuições das derivadas desses sinais. Partindo dos diferentes sinais depositados por múons e partículas eletromagnéticas nos tanques Cherenkov, fizemos um estudo de contaminação desse sinal muônico pela componente eletromagnética, de forma individual e em frentes de chuveiros atmosféricos. Com isso, definimos o conceito de um filtro a ser aplicado nas distribuições de sinais, que nos permitisse separar de forma eficiente os sinais produzidos pelas partículas / Abstract: The Pierre Auger Observatory was built to detect high-energy cosmic rays. Studies of the mass composition of the highest energy cosmic rays is a major focus of research developed by the Pierre Auger Observatory. The muon content of the extensive air showers produced from the interactions of these primary particles with the atmosphere, is one of the most sensitive parameters to the mass composition. At the ground level, the detected particles by the Surface Detector of the Auger Observatory consists of 1660 water-Cherenkov detectors, are essentially a mixture of photons, electrons and positrons, the electromagnetic component, and muons, the muonic component. The relative contribution of these components depends on the stage developmental stage and on the radial distance of the showers. Far enough from the shower axis at a given development stage, a shower initiated by a iron primary may induce up to 40% more muons than a proton primary under the same conditions. The time structure of the Cherenkov signal profile in the surface detectors of particles reaching ground is used to estimate the muonic contribution. The Cherenkov signals are digitized as FADCs traces, and show that muons induce peaks signal above a continuous electromagnetic formed of small peaks. So this characteristic structure of the muonic and eletromagnetic peaks depend on the radial distance from the shower axis. The goals of my work is to contribute to the identification and discrimination of the eletromagnetic and muonic components, from a mathematical model to apply filters in the signal distributions of the particles. This method is based on the Jump method. Using the detailed time structure of signs, we can estimate the sign of each component, defining a set of separation filters to make an efficient selection of the muonic signal. The different signals deposited by muons and electromagnetic particles in Cherenkov tanks, allowed us to study the electromagnetic contamination in individual muonic signals and in the showers fronts / Mestrado / Física / Mestra em Física

Orientador: Carola Dobrigkeit Chinellato / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-19T15:55:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Selmi-Dei_DanielPakk_D.pdf: 9650136 bytes, checksum: a6af22f88f369a8903480bc20071c354 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: Esta tese apresenta um estudo das deflexões nas trajetórias de raios cósmicos com energia ultra-alta (> 1018 eV) devido à sua propagação pelo campo magnético da Via Láctea. Partindo de dados coletados no Observatório Pierre Auger, localizado na Argentina, a técnica do backtracking foi aplicada sob diversas hipóteses relativas à carga elétrica do núcleo primário. Uma situação histórica é feita desde a época da descoberta da radiação cósmica até as últimas técnicas de detecção desenvolvidas por Pierre Auger, descobridor dos chuveiros atmosféricos extensos. A natureza das cascatas é descrita para o entendimento de como direções de chegada e energias são inferidas através dos experimentos de hoje. Alguns detalhes do espectro do uxo de raios cósmicos nas energias mais altas são expostos. As metodologias relativas aos telescópios de uorescência e ao arranjo de superfície, empregados no Observatório Auger, são introduzidas. É estabelecida uma relação entre ambas as técnicas de detecção e alguns resultados importantes, obtidos nos últimos anos pela Colaboração Auger, são apresentados. É feita uma descrição da dinâmica de campos magnéticos em plasmas astrofísicos e de dados observacionais da rotação de Faraday para embasar a escolha dos modelos de campo magnético galácticos. A magnetohidrodinâmica também é usada para explicar por que é interessante considerar certos objetos aceleradores candidatos a fontes de raios cósmicos. A distribuição de matéria na Via Láctea é então caracterizada em relação aos dados de evolução estelar e passa a ser assumida a hipótese de que a nucleossíntese elementar ocorre de modo semelhante em outras galáxias. Em seguida, são definidos os modelos utilizados para a descrição dos campos magnéticos nas regiões do bojo, disco e halo da galáxia. A superposição de um modelo da componente irregular também é considerada. A técnica do backtracking de antipartículas (e, equivalentemente, o forwardtracking de partículas) é descrita segundo um novo método numérico de passos adaptativos introduzido neste trabalho. Algumas ferramentas de análise são propostas a partir dos dados de reconstrução das trajetórias. Em última análise, é demonstrado que esse método desenvolvido concorda com o método numérico de Runge e Kutta de quarta ordem. Os resultados apresentados nesta tese levam à conclusão de que se os modelos presentes descrevem aproximadamente o campo magnético de larga escala da Via Láctea, então raios cósmicos com energia ultra-alta são signicantemente de etidos durante a propagação. Para um evento real detectado no Observatório Auger, a escolha da composição química compatível com núcleos produzidos nas reações de nucleossíntese estelar permitiu indicar regiões da Via Láctea que podem abrigar objetos astrofísicos candidatos a fonte. Assumindo que um magnetar galáctico ativo conhecido radie partículas com E > 1019 eV, foi possível prever excessos do uxo bem localizados em certas direções do céu. Já a depleção desse uxo na direção do Aglomerado de Virgem pode ser explicada através da imposição de limites na composição química da radiação cósmica com incidência normal ao plano galáctico. Por último, sob a hipótese de que AGNs sejam as fontes dos núcleos atômicos ultra-energéticos observados, uma relação entre composição química e energia da partícula primária é derivada / Abstract: This thesis presents a study of the deflections of ultra-high energy (> 1018 eV) cosmic rays caused by its propagation through the large scale magnetic field of the Milky Way. From data collected by the Pierre Auger Observatory, in Argentina, the backtracking technique was applied under several hypotheses relative to the electric charge of the primary nucleus. A historical review is given since the discovery of the cosmic radiation until the last detection techniques developed by Pierre Auger, who was the discoverer of extensive air showers. The nature of the cascades is described for an understanding about how the arrival directions and energies are inferred from experiments performed today. Some details regarding the spectrum of the cosmic ray flux at the highest energies are exposed. The methodologies relative to the fluorescence telescopes and the surface array, employed at the Auger Observatory, are introduced. A relation is established between both techniques of detection and some important results obtained in the last years by the Auger Collaboration are presented. A description of the magnetic field dynamics in astrophysical plasmas and the observational data of Faraday rotation serve as a basis for the choice of galactic magnetic field models. Magnetohydrodynamics is also used to explain why it is interesting to consider certain objects as candidates for the source and acceleration of cosmic rays. The Milky Way is then characterized in respect to stellar evolution data and the hypotheses that the nucleosynthesis of the elements occurs in a similar way in other galaxies is assumed. Finally, models to describe the magnetic fields in the bulge, disk and halo regions are defined. The superposition of a model for the irregular component is also considered. The backtracking technique of antiparticles (and equivalently, the forwardtracking of particles) is described according to a new numerical adaptive stepsize method introduced in this work. Some analysis tools are proposed based on data from the reconstructed trajectories. Lastly, it is shown that the method developed here agrees with the fourth-order Runge-Kutta numerical method. The results presented is this thesis lead to the conclusion that if the present models describe approximately the large scale magnetic field of the Milky Way, then ultra-high energy cosmic rays are significantly de ected during propagation. For a real event detected at the Auger Observatory, the choice for a chemical composition compatible with the nuclei produced in stellar nucleosynthesis reactions allowed to pinpoint regions inside the MilkyWay that can house astrophysical objects as candidate sources. Assuming that a known active galactic magnetar radiates particles with E >1019 eV, it was possible to predict well localized ux excesses in certain directions of the sky. The depletion of that flux in the direction of the Virgo Cluster can be explained by the imposition of limits on the chemical composition of cosmic radiation with incidence normal to the galactic plane. In the last place, under the hypothesis that AGN are sources of the observed ultra-high energy atomic nuclei, a relation between chemical composition and particle energy is derived / Doutorado / Física / Doutor em Ciências

Orientador: Carola Dobrigkeit Chinellato / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-04T03:39:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Selmi-Dei_DanielPakk_M.pdf: 2342914 bytes, checksum: 162b44347e391de172fb12130f4bad2a (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: Esta dissertação cobre a análise dos primeiros eventos detectados simultaneamente pelos tanques de superfície e telescópios de fluorescência durante a fase de prototipagem do Observatório Pierre Auger, na Argentina, entre dezembro de 2001 e abril de 2002. Há muitos anos diversos experimentos espalhados pelo mundo, dedicados à detecção de raios cósmicos, vêm coletando e montando uma estatística bem estabelecida do fluxo, direção de chegada, energia e composição química até 1019 eV através do constante desenvolvimento de novas técnicas. Ficou comprovado, porém, que radiação cósmica acima de 1020 eV existe, uma contradição com previsões teóricas que imediatamente abriu um leque de questões, variando desde qual origem extragalática poderiam ter, até o modo como se propagam pelo espaço. A riqueza e detalhamento que o estudo dessas partículas envolve são sintetizados em três partes neste trabalho. O primeiro capítulo aborda a radiação desde suas mais prováveis fontes geradoras e mecanismos de aceleração, os efeitos a que está sujeita durante a propagação pelo espaço e, por fim, o conjunto de processos desencadeados a partir da chegada no topo da atmosfera terrestre até o nível do solo -o chamado chuveiro atmosférico extenso. Com essa motivação inicial, a segunda parte abrange a totalidade do que será o Projeto Auger em sua fase final: um observatório que emprega as duas técnicas mais bem sucedidas já utilizadas em outros experimentos de menor porte, juntamente com a física, a matemática e o embasamento computacional da análise e reconstrução das propriedades que caracterizam uma partícula primária. No último capítulo é colocado em prática tudo o que foi discutido no anterior , com algumas restrições existentes na época em questão. A mais evidente é o funcionamento do observatório como um protótipo, quando foram operadas apenas parte de um olho (conjunto de telescópios de fluorescência) e do arranjo de solo. Outra são os códigos disponibilizados para análise pela colaboração, em constante desenvolvimento em paralelo com simulações. Uma análise completa da reconstrução geométrica e energética de todos os eventos registrados é apresentada e depois confrontada com resultados de outros membros da colaboração, dando um panorama geral do que se propõe o projeto no futuro, quais seus principais aspectos a serem melhorados e que ferramentas de análise ainda devem ser desenvolvidas / Abstract: This dissertation covers the analysis of the first events detected simultaneously by water tanks and fluorescence telescopes during the prototype phase of the Pierre Auger Observatory, between December 2001 and April 2002. For years several experiments over the world dedicated to the detection of cosmic rays collected and built a well established statistics for the flux, arrival direction, energy and chemical composition up to 1019 eV with the constant development of new techniques. It is a fact, though, that cosmic radiation over 1020 eV exists, a contradiction to previous theoretical results that immediately raises questions like which extragalactic origin they could have or how they propagate through space. The richness and level of detail involved in the study of such particles are synthesized in three parts in this work. The first chapter approaches cosmic radiation from its most likely sources and acceleration mechanisms, the effects to which it is subjected during propagation through space and, at last, the set of processes caused by the arrival at the top of the Earth's atmosphere to the ground level -the so-called extensive air shower . After this initial motivation, the second part covers the totality of what is to be the Auger Project in its final phase: an observatory that employs the two most successful techniques ever used in other smaller-scale experiments, along with the physics, mathematics and computational basis of the analysis and reconstruction of the properties that characterize a primary particle. Everything discussed previously is put into practice in the last chapter, with some of the restrictions at the time. The most evident is the operation of the observatory as a prototype, when only parts of one eye (set of fluorescence telescopes) and surface array were available. Another one are the codes available to analysis by the collaboration, in constant development in parallel with simulations. A complete analysis of the geometry and energy reconstruction of all events registered is presented and cross-checked with results from other collaboration members, giving a general view of the project's proposal for the future, its main aspects to be improved and which analysis tools are still to be developed. / Mestrado / Física / Mestre em Física