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.

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.

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

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