O objetivo desse trabalho é o desenvolvimento da parte mecânica de um Telescópio Imageador para observação de raios-x gama emitidos por fontes celestes. Devido à influência da atmosfera, as observações a serem executadas deverão ocorrer a 40 km de altitude em uma gôndola que voará acoplada a um balão estratosférico, capacitada para apontamento e estabilização em alvos celestes através dos eixos de elevação e azimute.Visando o desenvolvimento, foi feita uma ampla revisão bibliográfica levando-se as soluções mecânicas e restrições do projeto. Com base nesse levantamento foi definida a arquitetura do sistema, resultando num mecanismo de elevação do telescópio; um mecanismo de desacoplamento de movimentos rotacionais; uma roda de reação para o controle de movimentos azimutais e a própria gôndola. O projeto do telescópio foi feito com o auxílio de CAD, e na análise estrutural, utilizou-se técnicas de elementos finitos, sendo NASTRAN o software utilizado. Os componentes utilizados foram validados através da simulação do modelo dinâmico desenvolvido. Foi utilizado para essa simulação, um controle bastante simples tipo P-D, através do qual se conclui que a configuração utilizada é satisfatória para que se atenda às restrições do projeto, com um consumo de potência bastante razoável e um bom tempo de resposta.

In this thesis we studied dark matter models with strong self-interactions, typically known as self-interacting dark matter (SIDM). This kind of models constitute a promising solution to the tension between small scale structure observations and predictions assuming the standard case of collisionless cold dark matter (CDM) while keeping the success of the standard cosmological model, LambdaCDM, at large scales. The presence of strong self-interactions can increase the dark matter capture and annihilation in astrophysical objects like our sun, enhancing the potential of indirect detection signals. We used the high energy neutrinos produced by such annihilations to probe SIDM models. We established strong constraints on SIDM with velocity independent cross section by comparing the expected neutrino signal with the results of the IceCube-79 dark matter search. Also, we determined the sensitivity for the IceCube-DeepCore and PINGU detectors for SIDM with a velocity dependent self-interacting cross section (vdSIDM). Most of its relevant parameter space can be tested with the three years of data already collected by IceCube-DeepCore, complementing results from direct detection experiments and other indirect detection studies. / Nesta tese investigamos modelos de matéria escura com auto-interações fortes, conhecidos tipicamente como matéria escura auto-interagente (SIDM). Este tipo de modelos constituem uma solução promissora à tensão entre as observações de estrutura a pequena escala e as previsões assumindo o caso padrão de matéria escura fria não colisional (CDM), enquanto se mantêm o sucesso do modelo cosmológico padrão, LambdaCDM, a grandes escalas. A presença de auto-interações fortes podem aumentar a captura e a aniquilação da matéria escura em objetos astrofísicos como o nosso sol, aumentando o potencial de sinais de detecção indireta. Usamos o sinal de neutrinos de alta energia produzidos por essas aniquilações para explorar modelos de SIDM. Estabelecemos fortes vínculos em modelos de SIDM com seção de auto-interação independente da velocidade comparando o sinal de neutrinos esperado com os resultados de busca de matéria escura do IceCube-79. Também, determinamos a sensibilidade dos detectores IceCube-DeepCore e PINGU para modelos de SIDM com uma seção de auto-interação dependente da velocidade (vdSIDM). A maior parte do espaço de parâmetros de interesse pode ser testado com os três anos de dados já coletados pelo IceCube-DeepCore, complementando os resultados de experimentos de detecção direta e outras an análises de detecção indireta.

Neste trabalho são apresentados os resultados obtidos no desenvolvimento de um sistema eletrônico embarcado dedicado à aquisição de imagens astronômicas. Este sistema é composto principalmente por uma câmera científica astronômica, que abriga um detector de imagem do tipo EMCCD, e por um controlador eletrônico utilizado para a operação e leitura do detector de imagem. São detalhados os estágios que formam o sistema embarcado específico para um instrumento astronômico instalado no telescópico internacional SOAR, no Chile. Cada um destes estágios: sensor, câmera, controlador eletrônico, placa de aquisição de imagens e software, será descrito detalhadamente, desde uma revisão das alternativas de solução até as técnicas de operação de sensores, além da manipulação de controladores eletrônicos. São analisados detalhes referentes ao projeto da câmera, bem como a influência desses detalhes em seu funcionamento. Alguns resultados científicos já alcançados com sistemas embarcados equivalentes são expostos. Também são apresentados os resultados dos ensaios e trabalhos realizados em laboratório para este projeto, e os resultados atingidos com o instrumento já em operação no telescópio. / This work presents the results obtained in the development of an embedded electronic system dedicated to the acquisition of astronomical images. This system consists primarily of a scientific astronomical camera, which houses an imaging detector EMCCD, and an electronic controller used for operating and reading the imaging detector. The stages that constitute the embedded system specific to an astronomical instrument installed in the telescopic international SOAR, at Chile, are detailed. Each of these stages: sensor, camera, electronic controller, image acquisition board and software, is described in detail, from a review of alternative solutions to the technical operation of sensors, and manipulation of electronic controllers. Some details of the camera design are analyzed as well as its influence in the camera operation. Some scientific results already achieved with equivalent embedded systems are exposed. It also presents the results of laboratory tests and work done for this project, and the results achieved with the instrument already operating at the telescope.

Neste trabalho são apresentados os resultados obtidos no desenvolvimento de um sistema eletrônico embarcado dedicado à aquisição de imagens astronômicas. Este sistema é composto principalmente por uma câmera científica astronômica, que abriga um detector de imagem do tipo EMCCD, e por um controlador eletrônico utilizado para a operação e leitura do detector de imagem. São detalhados os estágios que formam o sistema embarcado específico para um instrumento astronômico instalado no telescópico internacional SOAR, no Chile. Cada um destes estágios: sensor, câmera, controlador eletrônico, placa de aquisição de imagens e software, será descrito detalhadamente, desde uma revisão das alternativas de solução até as técnicas de operação de sensores, além da manipulação de controladores eletrônicos. São analisados detalhes referentes ao projeto da câmera, bem como a influência desses detalhes em seu funcionamento. Alguns resultados científicos já alcançados com sistemas embarcados equivalentes são expostos. Também são apresentados os resultados dos ensaios e trabalhos realizados em laboratório para este projeto, e os resultados atingidos com o instrumento já em operação no telescópio. / This work presents the results obtained in the development of an embedded electronic system dedicated to the acquisition of astronomical images. This system consists primarily of a scientific astronomical camera, which houses an imaging detector EMCCD, and an electronic controller used for operating and reading the imaging detector. The stages that constitute the embedded system specific to an astronomical instrument installed in the telescopic international SOAR, at Chile, are detailed. Each of these stages: sensor, camera, electronic controller, image acquisition board and software, is described in detail, from a review of alternative solutions to the technical operation of sensors, and manipulation of electronic controllers. Some details of the camera design are analyzed as well as its influence in the camera operation. Some scientific results already achieved with equivalent embedded systems are exposed. It also presents the results of laboratory tests and work done for this project, and the results achieved with the instrument already operating at the telescope.

Orientador: Carlos Ourivio Escobar / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-04T21:20:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Sato_Ricardo_D.pdf: 12445347 bytes, checksum: de6912545351fe42a3693e16ebbbcaa6 (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: Desde antes de sua descoberta, o estudo dos raios cósmicos e de seus efeitos tem mobilizado intensamente teóricos e experimentais. Hoje, um dos grandes desafios é a explicação da existência dos raios cósmicos de altíssimas energias, que chegam a ultrapassar 1020 eV ~ 16 J. Com o intuito de investigar a faixa mais energética do espectro, em particular energias superiores a 1019 eV, onde o fluxo é da ordem de 1 evento por quilômetro quadrado por ano, encontra-se em construção, mas já em operação, o Observatório Pierre Auger, a ser constituído por duas grandes redes de detectores que cobrirão 3.000 km2 cada uma, o que equivale a praticamente duas vezes a área da cidade de São Paulo (1.523, 986 km2, segundo dados do IBGE). Em cada sítio, serão adotadas duas técnicas independentes e complementares de detecção dos chuveiros atmosféricos extensos: observação direta das partículas que chegam ao solo e registro da luz de fluorescência produzida pela passagem da cascata. Os detectores de fluorescência consistem de telescópios de Schmidt, com uma lente corretora em sua abertura. O presente trabalho mostra os estudos desenvolvidos desde a concepção da lente até o seu desempenho nos telescópios, envolvendo a definição do perfil, a investigação das possíveis vantagens de seu uso, a escolha do material, o método de produção e os testes ópticos para a avaliação da qualidade. O uso da lente possibilitou o aumento da área de coleta de luz em praticamente duas vezes, sem deteriorar a resolução óptica do telescópio, o que permite fazer estimativas melhores dos parâmetros relevantes do chuveiro, como a energia e a profundidade em que ocorre o máximo do chuveiro / Abstract: Since before its discovery, the study of cosmic rays and its effect has deeply stimulated theorists and experimentalists. Today, one of the great challenge is a explanation of the existence of the ultra high energy cosmic rays, that overcome energies of 1020 eV ~ 16 J. With the goal to investigate the most energetic part of the spectrum, in particular energies above 1019 eV, where the flux is about 1 event per square kilometer per year, the Pierre Auger Observatory is under operation and construction. It will be composed by two large groups of detectors covering 3,000 km2 each one, what is equivalent twice São Paulo city area (1.523,986 kmM2, according to IBGE data). In each site, two independent and complementary detection techniques of extensive air showers will be used: direct observation of the particles which reach the ground and the measurement of the fluorescence light produced by the cascade. The fluorescence detectors consist of Schmidt telescopes with a corrector lens at its aperture. The present work shows the studies developed from the lens conception to its performance in the telescopes, involving the definition of the profile, investigation of its possible advantages, material choice, production method and the optical tests to evaluate quality. Using the lens, it is possible to double the effective light collection area, without deteriorate the telescope optical resolution. It enables a better determination of important shower parameters like the energy and shower maximum / Doutorado / Teorias Especificas e Modelos de Interação ; Sistematica de Particulas ; Raios Cosmicos / Doutor em Ciências

In this thesis we studied dark matter models with strong self-interactions, typically known as self-interacting dark matter (SIDM). This kind of models constitute a promising solution to the tension between small scale structure observations and predictions assuming the standard case of collisionless cold dark matter (CDM) while keeping the success of the standard cosmological model, LambdaCDM, at large scales. The presence of strong self-interactions can increase the dark matter capture and annihilation in astrophysical objects like our sun, enhancing the potential of indirect detection signals. We used the high energy neutrinos produced by such annihilations to probe SIDM models. We established strong constraints on SIDM with velocity independent cross section by comparing the expected neutrino signal with the results of the IceCube-79 dark matter search. Also, we determined the sensitivity for the IceCube-DeepCore and PINGU detectors for SIDM with a velocity dependent self-interacting cross section (vdSIDM). Most of its relevant parameter space can be tested with the three years of data already collected by IceCube-DeepCore, complementing results from direct detection experiments and other indirect detection studies. / Nesta tese investigamos modelos de matéria escura com auto-interações fortes, conhecidos tipicamente como matéria escura auto-interagente (SIDM). Este tipo de modelos constituem uma solução promissora à tensão entre as observações de estrutura a pequena escala e as previsões assumindo o caso padrão de matéria escura fria não colisional (CDM), enquanto se mantêm o sucesso do modelo cosmológico padrão, LambdaCDM, a grandes escalas. A presença de auto-interações fortes podem aumentar a captura e a aniquilação da matéria escura em objetos astrofísicos como o nosso sol, aumentando o potencial de sinais de detecção indireta. Usamos o sinal de neutrinos de alta energia produzidos por essas aniquilações para explorar modelos de SIDM. Estabelecemos fortes vínculos em modelos de SIDM com seção de auto-interação independente da velocidade comparando o sinal de neutrinos esperado com os resultados de busca de matéria escura do IceCube-79. Também, determinamos a sensibilidade dos detectores IceCube-DeepCore e PINGU para modelos de SIDM com uma seção de auto-interação dependente da velocidade (vdSIDM). A maior parte do espaço de parâmetros de interesse pode ser testado com os três anos de dados já coletados pelo IceCube-DeepCore, complementando os resultados de experimentos de detecção direta e outras an análises de detecção indireta.

Há várias evidências experimentais da existência de matéria escura no universo. Apesar destas evidências, pouco se sabe sobre sua constituição, sabendo-se apenas que interage gravitacionalmente, mas não eletromagneticamente. Neste projeto, investigamos a possibilidade da matéria escura ser composta por partículas supermassivas e fortemente interagentes (Simpzillas). Para isto determinamos o sinal que deve ser deixado no telescópio IceCube por neutrinos resultantes de aniquilações de matéria escura no Sol. Após determinarmos o espectro de neutrinos no centro do Sol, simulamos sua propagação até a superfície, depois até a Terra e através da Terra até o detector. Comparamos então estes resultados com os fornecidos pelo IceCube. Esta comparação permite testar uma região do espaço de fase massa versus seção de choque previamente não-excluída por outros tipos de experiência que não telescópios de neutrinos. Como resultado, concluímos que partículas supermassivas e fortemente interagentes não podem constituir a matéria escura. / There are many experimental evidences for the existence of dark matter in the universe. Despite these evidences, there is no knowledge about its constitution other than the fact that it interacts gravitationally but not electromagnetically. In this project, we investigate the possibility that dark matter is composed of strongly interacting massive particles (Simpzillas). We determine the expected signal in the IceCube telescope from Simpzilla annihilation in the center of the Sun. We first determine the neutrino spectrum in the core of the Sun. We then simulate its propagation through both the Sun and Earth, and finally the rate of neutrinos at the detector. A comparison of these results to the ones published by the IceCube collaboration covers a large region of the yet not excluded regions of the mass versus cross-section phase space. As a result, the possibility of Simpzillas composing the dark matter is ruled out.

Cosmic rays are at the foundation of astroparticle physics and the extensive air showers (EAS) is one indirect way to detect them. Air showers, however, have been used to infer information not just of cosmic rays particles, but also to localize gamma rays sources. The shower maximum of an EAS, defined as the position at the atmosphere where the maximum quantity of charged particles is reached, is an observable of air showers that can permit to infer the mass composition of cosmic rays. For this reason, it is important to propose methods to measure it. Several methods to determine the shower maximum have been implemented in the last decades with the development of different kinds of telescopes. This work discusses the possibility of determining the maximum of air showers using imaging atmospheric Cherenkov telescopes (IACT). The Cherenkov telescopes can detect the Cherenkov radiation produced by the interaction of charged particles with the atmosphere. Those Cherenkov photons are projected back into the plane containing the longitudinal development of the air shower. Each plane is saved as a 2D histogram with the longitudinal and lateral development in the vertical and horizontal axis, respectively. A detailed analysis of each 2D histogram is presented and used to obtain the depth of the maximum of the Cherenkov profile. The main effect seen is a decrease in the shower maximum of Cherenkov photons as a function of the telescope position from the shower axis to 150 m. After 150m from the shower axis, there is a constant behavior that is correlated to the real depth of the maximum of an EAS. Based on this constant behavior after 150 m, the shower maximum is reconstructed and it is shown the resolution of the method as a function of the energy, which is around 55 g/cm2 considering just one telescope, and 15 g/cm2 for the best case considering zenith angle of 20 degrees. Moreover, the method is tested with some simulations took from Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) experiment to compare with the results of our simulations. The resolution of the reconstruction of the shower maximum for proton and iron showers was also done which ranges around 80 g/cm2 for proton and around 30 g/cm2 for iron in the case of 20° of zenith angle. / Os raios cósmicos estão na base da física das astropartículas e os chuveiros atmosféricos extensos (EAS pela sigla em inglês) são uma maneira indireta de detectá-los. Os chuveiros atmosféricos, no entanto, têm sido usados para inferir informações não apenas sobre partículas de raios cósmicos, mas também para localizar fontes de raios gama. A profundidade de máximo num EAS, definido como a profundidade atmosférica onde a quantidade máxima de partículas carregadas é atingida, é um observável de EAS que permite inferir a composição de massa dos raios cósmicos. Por esse motivo, é importante propor métodos para medí-lo. Vários métodos para determinar a profundidade de máximo foram implementados nas últimas décadas com o desenvolvimento de diferentes tipos de telescópios. Este trabalho discute a possibilidade de determinar a profundidade de máximo de chuveiros atmosféricos utilizando os telescópios atmosféricos Cherenkov (IACT). Os telescópios Cherenkov podem detectar a radiação Cherenkov produzida pela interação de partículas carregadas com a atmosfera. Esses fótons Cherenkov são projetados de volta ao plano que contém o desenvolvimento longitudinal do chuveiro. Cada plano é salvo num histograma 2D com o desenvolvimento longitudinal e lateral no eixo vertical e horizontal, respectivamente. Uma análise detalhada de cada histograma 2D é apresentada e usada para obter a profundidade máxima do perfil de emissão de luz Cherenkov. O principal efeito visto é uma diminuição na profundidade de máximo dos fótons Cherenkov do chuveiro como função da posição do telescópio a partir do eixo do chuveiro até 150 m. A partir de 150 m do eixo do chuveiro, há um comportamento constante que está correlacionado com a profundidade real de máximo do EAS. Com base nesse comportamento constante após 150 m, o máximo do chuveiro é reconstruído e é mostrada a resolução do método em função da energia, que é cerca de 55 g/cm2 considerando apenas um telescópio, e 15 g/cm2 para o melhor caso, considerando o ângulo zenital de 20 graus. Além disso, o método é testado com algumas simulações cedidas pelo experimento VERITAS (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System, pela sigla em inglês) para comparar com os resultados de nossas simulações. Também foi feita a resolução da reconstrução da profundidade de máximo para chuveiros atmosféricos de prótons e ferro, que varia em torno de 80 g/cm2 para prótons e em torno de 30 g/cm2 para ferro no caso chuveiros inclinados a um ângulo de 20°.

Há várias evidências experimentais da existência de matéria escura no universo. Apesar destas evidências, pouco se sabe sobre sua constituição, sabendo-se apenas que interage gravitacionalmente, mas não eletromagneticamente. Neste projeto, investigamos a possibilidade da matéria escura ser composta por partículas supermassivas e fortemente interagentes (Simpzillas). Para isto determinamos o sinal que deve ser deixado no telescópio IceCube por neutrinos resultantes de aniquilações de matéria escura no Sol. Após determinarmos o espectro de neutrinos no centro do Sol, simulamos sua propagação até a superfície, depois até a Terra e através da Terra até o detector. Comparamos então estes resultados com os fornecidos pelo IceCube. Esta comparação permite testar uma região do espaço de fase massa versus seção de choque previamente não-excluída por outros tipos de experiência que não telescópios de neutrinos. Como resultado, concluímos que partículas supermassivas e fortemente interagentes não podem constituir a matéria escura. / There are many experimental evidences for the existence of dark matter in the universe. Despite these evidences, there is no knowledge about its constitution other than the fact that it interacts gravitationally but not electromagnetically. In this project, we investigate the possibility that dark matter is composed of strongly interacting massive particles (Simpzillas). We determine the expected signal in the IceCube telescope from Simpzilla annihilation in the center of the Sun. We first determine the neutrino spectrum in the core of the Sun. We then simulate its propagation through both the Sun and Earth, and finally the rate of neutrinos at the detector. A comparison of these results to the ones published by the IceCube collaboration covers a large region of the yet not excluded regions of the mass versus cross-section phase space. As a result, the possibility of Simpzillas composing the dark matter is ruled out.

Made available in DSpace on 2016-04-28T14:16:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Fumikazu Saito.pdf: 10989609 bytes, checksum: 339ee2687abdfdc808fbb99663c1ebfb (MD5) Previous issue date: 2008-05-19 / Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de São Paulo / This work discusses the relationship between instrument and sensorial or perceptive experience in the light of Giambattista della Porta s natural magic and the 17th century natural philosophy. It points out to factors that made of the telescope a natural magic device, by approaching to the design of Galileo Galilei s instrument. Analysis is centered on De telescopio, De refractione optices parte libri novem and Magiae naturalis libri XX by Della Porta and Sidereus nuncius by Galileu, as primary sources. This study allowed to realize that the expansion of the visual capacity achieved through instruments and devices was not merely related to philosophical strategies that would lead to mistrust naked-eye observation or mathematization of seeing by 15th century linear perspective. Among other features involved in the change of views regarding the observation of nature, the recognition of the sharper visual perception achieved through instruments was also associated to natural magic s manipulation of seeing / Este estudo discute a relação do instrumento com a experiência sensória ou perceptiva sob a perspectiva da magia natural de Giambattista della Porta e da filosofia natural do século XVII. Aponta-se, desse modo, para os indícios que fizeram do telescópio um aparato de magia natural, dialogando com a concepção do instrumento de Galileu Galilei. Foram selecionados para análise o De telescopio, o De refractione optices parte libri novem e a Magiae naturalis libri XX de Della Porta e o Sidereus nuncius de Galileu, como fontes primárias. Por meio deste estudo, observou-se que a ampliação da capacidade visual, por meio de aparatos e instrumentos, não estava apenas relacionada a certas estratégias de natureza filosófica, que fizeram desacreditar na observação a olho nu, nem à matematização do olhar proposta pela perspectiva linear do século XV. Além de outros aspectos relacionados à mudança de atitude em relação à observação da natureza, o reconhecimento de uma percepção visual mais aguda, por meio de instrumentos, estava também relacionado com a proposta da magia natural de manipular o olhar