Thesis (Ph. D.)--Ohio State University, 2007. / Title from first page of PDF file. Includes bibliographical references (p. 307-319).

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Orientador: Jose Augusto Chinellato / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-10T12:36:27Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Muller_MarcioAparecido_D.pdf: 7258738 bytes, checksum: 730b20e67024246249997d646e724bed (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Este projeto contribui para a caracterização do sinal da passagem da frente de um Chuveiro Atmosferico Extenso no Detector de Superficie do Observatório Pierre Auger. Usando uma simulação do módulo básico do Detector de Superfície, que é um tanque Cherenkov, foi realizado um estudo do sinal depositado para cada tipo de partícula da frente do Chuveiro Atmosférico Extenso, individualmente, e depois da razão entre os sinais provenientes da componente hadrônica e das componentes comumente consideradas (componente eletromagnética + componente muônica) para alguns casos. Foram injetadas no tanque, individualmente, as partículas que ocorrem num Chuveiro Atmosférico Extenso, com valores discretos de energia no intervalo de eV até 10 TeV . Com isso, obtivemos "curvas resposta" do detector para cada partícula - essas curvas são equivalentes a distribuições de probabilidade para o número de fótons coletados (fótons que efetivamente geraram sinal nas fotomultiplicadoras) no tanque Cherenkov. Do conjunto de valores discretos de "curvas resposta", obtivemos, por interpolação, expressões gerais cobrindo toda a faixa de energia acima citada, ou seja, obtivemos uma parametrização geral do sinal (ainda preliminar, com pequenas melhorias numéricas a serem feitas), para qualquer partícula e a qualquer energia. Segundo testes já feitos, tal parametrização deve implicar em economia de tempo de processamento da ordem de milhares de vezes, o que será útil para futuros cálculos no projeto Auger. Partindo de chuveiros simulados na atmosfera através do software Corsika e usando a parametrização geral acima citada, obtivemos a razão da contribuição dos hádrons com relação 'as demais componentes da frente do chuveiro, nas condições do Observatório, ou seja, nas faixas de energia acima de 10 18 eV , para diferentes primários e na geometria típica do Observatório Pierre Auger. Conhecendo tais fatores, poderemos contribuir para uma calibração do sinal, de modo a poder corrigir a estimativa da energia do primário do chuveiro, que entra no cálculo do uxo de raios cósmicos primários. Esse é um item de bastante interesse na área. Nos cálculos deste trabalho, adicionamos ao tratamento tradicional das interações hadrônicas, o regime de baixas energias do Geant4. No nosso caso, merecem atenção especial as interações de nêutrons, principalmente porque o alvo considerado além dos tanques Cherenkov do Observatório inclui uma camada de solo abaixo deles, onde os nêutrons podem dar contribuição significativa. Dado que o sinal dos tanques é usado em várias condições de "trigger" para a determinação da energia do primário, teremos condições de computar a contribuição dos hádrons (principalmente nêutrons), com seu sinal e suas flutuações, para as incertezas nessa energia. Estamos contribuindo para um objetivo básico do Observatório Pierre Auger, que é estimar a energia do raio cósmico primário no topo da atmosfera / Abstract: This project contributes to the effort of characterizing the passage of Extensive Air Shower fronts through the Surface Detector of the Pierre Auger Observatory. Using a Geant4 simulation of the Cherenkov tank that is basic module of the SD, we performed a study on the electronic signal for each kind of shower particle individually at first, and then on the signal ratio between hadronic and electromagnetic + muonic component, for some cases. The particles that occur in a Extensive Air Shower were injected into the tank individually, with discrete energy values in the range eV up to 10 TeV , with randomly distributed coordinates. Thus we obtain, for each particle "response curves" which works equivalent as a the probability distribution for the number of collected photons (these photons generated a signal in the photo-multipliers). From the set of discrete samples of "response curves", we obtain, by interpolation, general expressions that cover the entire range of energies - i.e., we obtain sets of parameters of the signal (still preliminary, with small numerical improvements to be made), for any particle, at any energy in the above mentioned range. According to tests, this parametrization results in a remarkable improvement to the CPU time - the simulation turns out to be some thousand times faster than the extensive calculation. This will be usefull for future calculations in the Auger project. Starting from Corsika simulated air showers, using the parametrization above mentioned, we obtain the mentioned ratio of the signal (hadronic to eletromagnetic + muonic component), range energy above 10 18 eV , for different primaries. Since the contribution of hadrons (signal plus uctuations) is, in general not taken into account in shower reconstruction, this study can contribute to a better characterization of the signal in the tank and thus to the estimate of shower primary energy. In our calculations, we added to the commonly used treatment of hadronic interactions, the low energy regime of Geant4. In particular, neutrons deserve special treatment, mainly because in addition to the Cherenkov tank itself, we considered another target, which is a soil layer under the tank - where neutrons can make significant contribution to the signal. Including the hadron contribution (signal and uctuations) to the whole tank signal, under different trigger conditions, we will be able to contribute to a better estimation of primary energy, mainly for its uctuations. We are contributing to a basic goal of the Observatory, which is to estimate the energy of the primary cosmic ray at the top of the atmosphere and thus the primary ux / Doutorado / Física das Particulas Elementares e Campos / Doutor em Ciências

Orientador: Carola Dobrigkeit Chinellato / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-17T01:52:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Souto_BrunoFontes_M.pdf: 1947654 bytes, checksum: a1d7f70ebf2510a975c39b16829bf94a (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: O objetivo deste trabalho é aplicar umteste que visa determinar se as direções de chegada dos raios cósmicos de energias mais altas (> 1019 eV) observados pelo Observatório Pierre Auger seguem uma distribuição isotrópica. Sua principal vantagem é dispensar o uso de catálogos de objetos astrofísicos. Igualmente, procura-se uma correlação das direções de chegada com a região conhecida como Plano Supergaláctico. Dá-se ênfase na motivação, interpretação e na visão geral sobre anisotropia de raios cósmicos surgida nos últimos anos. O resultado obtido com os dados atuais neste trabalho é que de fato existe uma anisotropia nas direções de chegada, embora esta ainda seja difícil de caracterizar / Abstract: In this work, we apply a test designed to answer the question of whether the arrival directions of the highest energy (> 1019 eV) events observed by the Pierre Auger Observatory are consistent with being drawn from an isotropic distribution. Its main advantage is that the method does not rely on any catalogue of astrophysical objects. Furthermore, a correlation of the arrival directions with the region known as Supergalactic Plane is investigated. Emphasis is put on motivation, interpretation and on the global picture of cosmic ray anisotropy that has emerged during the last years. The result found so far from the current data in this work is that an anisotropy in the arrival directions indeed exists, even so it is still difficult to characterize / Mestrado / Raios Cósmicos / Mestre em Física

Orientador: Anderson Campos Fauth / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-13T19:51:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Consalter_DanielMartelozo_M.pdf: 4699027 bytes, checksum: 410a5e77c9dca5e205ac6f413844f032 (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Os raios cósmicos de mais altas energias são hoje foco da atenção de muitos físicos ao redor do mundo.Estas partículas chegam a atingir energias acima 10 18 V,o equivalente a uma bola de baseball a 300 km/h,mas mecanismos de aceleração, propagação assim como a região onde são produzidos ainda são desconhecidos pela comunidade científica. Isso ocorre devido a dificuldade na detecção destas partículas, pois seu fluxo é baixíssimo: uma região com 1 km 2 de área é atingida por uma partícula por sr por ano. Este baixo fluxo obriga a construção de gigantescos experimentos como é o caso do Observatório Pierre Auger (OPA). Construído nos pampas argentinos, o OPA conta com 4 conjuntos de telescópios detectores de fluorecência atmosférica 1600 tanques detectores de radiação Cherenkov na água. A união das duas técnicas torna o Observatório Pierre Auger um detector híbrido. Este trabalho pode ser dividido em duas partes principais,sendo que a primeira consistiu no estudo do tanque Cherenkov instalado no Laboratório de Léptons da Universidade Estadual de Campinas, idêntico aos instalados no site do hemisfério Sul do Observatório Pierre Auger. Primeiramente finalizamos a instalação do detector, na qual instalamos novos componentes eletrônicos, escrevemos o software de aquisição de dados resolvemos o problema de umidade interna do ar que danificava os componentes eletrônicos instalados no tanque. Após a instalação completa, realizamos a caracterização do detector para múons atmosféricos individuais, selecionados a partir de um telescópio de múons formado por dois detectores cintiladores. Foi medido o tempo morto do sistema de aquisição de dados,determinadas as tensões de trabalho de cada uma das três fotomultiplicadora (PMT)e medida a carga do sinal produzido pelo múon passando verticalmente no centro do tanque,o VEM,obtendo 100 pC para o valor do pico do espectro de carga. Ao medirmos a resposta do sinal em função da distância entre a PMT a posição de passagem do múon vertical no tanque, pudemos observar uma dependência da carga média do tempo de atraso do sinal em função desta distância, na qual a soma da carga nas 3 PMTs manteve-se constante. Além disso, observamos que, nas medidas as quais o múon passa pela fotomultiplicadora, existe um pico duplo no espectro de tempo, sendo o primeiro pico produzido pelo sinal proveniente da interação do múon com o fotocátodo da PMT o segundo pelo sinal produzido pela passagem do múon na água. Finalizamos com a medida da resposta do sinal para múons selecionados inclinados na qual pode-se observar da linearidade da proporção entre a carga média do sinal e a quantidade de luz produzida pela passagem da partícula. A segunda parte do trabalho consistiu em analisar os dados detectados pelos detectores de superfície do Observatório Pierre Auger, no qual primeiramente, instalamos os softwares necessários para a realização da análise de dados através do ADST-OFFLINE. Foram analisados os raios cósmicos detectados desde 01 de janeiro de 2004 até 31 de dezembro de 2008 com energia acima de 3x1018 e V ângulos zenitais de direção de chegada entre 0 o e 60o. A partir destes dados construímos espectros diferenciais de fluxo de raios cósmicos para cada ano integrados a cada ano. A partir da análise destes gráficos pudemos confirmar que a partir de 2007 os número de eventos é suficiente para confirmar a supressão do fluxo de partículas com energia acima de 4x1019 e V devido ao efeito GZK. Confirmamos também que o espectro de raios cósmicos de altas energias é bem representado pela função F µ E -g ,cujo valor obtido para g do espectro construído a partir dos dados ntr 01 de janeiro de 2004 até 31 de dezembro de 2008 foi 2,69 ± 0,04 para o intervalo de energia entre 4x10 18 e V e 4x1018 e V e 3,5 ± 0,5 para energias acima de 4x1019 e V. / Abstract: The high energy cosmic rays actually are the center of attention of many physics around the world.These particle have energy above, equivalent a baseball with 300km/h, but the mechanism of acceleration, propagation even like the region that they are originated still unknown for the scientific community, fact that occurs due the difficult of detection from thes particles, because their flux is very low: a surface of 1 km 2 area is reached for one high energy particle per sr per year. This low flux obligates the build of giants experiments like Pierre Auger Observatory (PAO).Built in Malargue, Argentina,the PAO has 4 atmospheric fluorescence detectors and 1600 water Cherenkov tanks .The union of these two techniques made PAO a hybrid detector. This work can be divided in two principal parts, being the first a study of the water Cherenkov tank install d at Campinas that is identical of the tanks from South site of the Pi rre Auger Observatory. Firstly, we made a complete installation of the detector, in which was installed new electronic components, the data acquisition software was written and the internal humidity problem, that damages the electronic components, was solved. After the installation, we made a detector characterization using atmospheric muons selected by a muon telescope (2 scintillator detectors). We measured the dead time , working high voltage of each photomultiplier (PMT) and the medium charge produced by the vertical muon crossing the tank center (VEM), which value found was 100 pC. Measuring the signal dependence with the distance between the PMT and the position of the vertical muon, we could observe a decrease of the charge and increases of the time delay when this distance increase. But the sum of the charges in the 3 PMT kept constant. In addiction, we observed that, in the measure that the muons cross the photomultiplier there is a double peak in the time spectrum, being the first peak due the muon interaction with the photocathode and the second one by the Cherenkov light produced by the muon crossing the water. We completed the charact rization with the measurement of signal provided by inclined muon selected by the same telescope. These measurements show us the proportionality between the charge of the signal and the quantity of produced light by the particle. The second part of the work was the data analysis of the Pierre Auger surface detectors, in which firstly, we installed the software necessary to data analysis by ADST-OFFLINE. It was analyzed cosmic rays detected since 01 January 2004 until 31 December 2008 with energies above 3x1018 e V and zenith angle between 0o e 60o. From these data, we built differential cosmic rays spectra for each year and integrated yearly. This analysis shows that from 2007 the number of events is enough to confirm the flux suppression above 4x1019 e V due GZK effect. We also confirm that the high energy cosmic rays spectrum is well represented by the function F ¥ E,-g ,which g value measured for the spectrum with data acquired between 01 January 2004 and 31 December 2008 was 2,69 ± 0,04 in the energy range from 4x1018 e V until 4x1019 e V and 3,5 ± 0,5 for energy above 4x1019 e V. / Mestrado / Física das Particulas Elementares e Campos / Mestre em Física

Orientador: Ernesto Kemp / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-14T11:18:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Almeida_RogerioMenezesde_D.pdf: 29880310 bytes, checksum: a6d709505699fa646136930c8822d569 (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Quase um século após o descobrimento da radiação cósmica, sua origem, composilção, mecanismos de aceleração e propagação pelo universo são ainda desconhecidos para a faixa de energia ultra-alta (E >~ 10 18 eV). O mistério torna-se ainda maior devido à supressão (corte GZK) no uxo dos raios cósmicos com energias E >~ 6 × 10 19 eV, devido à interação destas partículas com a radiação cósmica de fundo, previsto há cerca de 40 anos. Assim, espera-se que os raios cósmicos com energia acima deste limiar sejam provenientes de fontes distantes em até ~ 200 Mpc. Uma vez que nosso universo local é bastante heterogêneo e a rigidez magnética destas partículas é bastante elevada, espera-se que a distribuição das direções de chegada dos raios cósmicos de energia ultra-alta possa ser correlacionada com as direções de suas fontes, refletindo a anisotropia do universo local. Neste sentido, estudos de anisotropias nas direções de chegadas de tais partículas desempenham papel crucial na investigação da radiação cósmica e compreensão do universo. Este trabalho dedica-se ao estudo de anisotropias de pequena e larga escalas. No primeiro caso, procuramos UHECR¿s correlacionados com o surto gigante de radiação gama emitido pelo SGR 1806-20 em dezembro de 2004. Outro caso estudado é a análise de direções da esfera celeste com excessos de raios gama com significâncias estatísticas maiores que 4s, não associadas a fontes conhecidas, reportadas pela Colaboração JANZOS. Ainda com relação a anisotropias de pequena escala, são estudadas aplicações de filtros de wavelets para detecção de fontes pontuais. No contexto de anisotropias de larga escala, relacionadas a grandes distribuições de matéria, desenvolvemos um método de identificação de anisotropias independente de catálogos de objetos celestes, chamado MIIE. Testamos sua eficiência através de testes de hipóteses e o aplicamos a conjunto de eventos com energia extrema obtidos de dados do Observatório Pierre Auger / Abstract: Almost a century after the discovery of cosmic radiation, their origin, composition, acceleration and propagation mechanisms in the universe is still unknown for the ultra-high energy component ( > ~ 1018 eV). The mystery grows due to the suppression (GZK cutoff) in the ux of cosmic rays with energies E >~ 6 × 10 19 eV, caused by the interaction of these particles and the cosmic microwave background, predicted ~ 40 years ago. Thus, it is expected that cosmic rays with energy above this threshold are produced in sources within ~ 200 Mpc. Since our local universe is very inhomogeneous and the magnetic rigidity of these particles is very high, it is expected that the distribution of the arrival directions of ultra-high energy cosmic rays can be correlated with the directions of their sources, reflecting the anisotropy of our local universe. In this way, anisotropy studies play crucial role in the research of cosmic radiation and understanding of the universe. In this work, small-scale anisotropy, related to the study of point sources, are studied searching for UHECR¿s correlated with the giant are from SGR 1806-20 in December 2004. We have also analized directions with an excess of gamma rays with statistical significance S > 4s, not associated with any known sources, reported by the JANZOS Collaboration. Also, in this thesis wavelets are applied in the detection of point sources. In the context of anisotropy related to large distributions of matter, called large scale anisotropy, we propose a new anisotropy identification method independent of catalogs, so-called MIIE. We test its efficiency through hipothesis tests and apply it to events set obtained from the Pierre Auger data / Doutorado / Física das Particulas Elementares e Campos / Doutor em Ciências

L’origine et la composition des rayons cosmiques demeurent, presque un siècle après leur découverte, une question ouverte, certains résultats des expériences de détection des rayons cosmiques se contredisant même, aux énergies supérieures à 10¹⁸ eV. A ces énergies, le flux reçu sur Terre est si faible qu’une détection directe est impossible sur une échelle de temps raisonnable. La collaboration Pierre Auger a ainsi construit dans la Pampa argentine, un observatoire couvrant une surface de 3000 km² afin de déterminer les énergies, les masses et les directions d’arrivée des rayons cosmiques. Les techniques de détection déployées font de l’Observatoire Pierre Auger une référence dans le domaine des Ultra-Hautes Énergies. Durant les trois années de mon doctorat, il m’a été donné l’opportunité d’étudier les méthodes de détection déployées par cette expérience et de m’intéresser spécialement à son détecteur de surface dont l’extraction du signal jusqu’à la reconstruction des directions d’arrivée et des énergies des rayons cosmiques sont présentées dans ce manuscrit avec les optimisations développées, permettant l’établissement du spectre des rayons cosmiques. L’étude de ce spectre, combinée à celle des observables de composition, obtenues par le détecteur de fluorescence, permet son interprétation en terme de masse afin de contraindre les modèles d’accélération et de propagation dans le milieu Galactique ou extragalactique. / The origin and the composition of the cosmic rays, almost one century after their discovery, remain an open question. Results of some experiments dedicated to their detection are even contradicting themselves at energies above 10¹⁸ eV. At these energies, the flux of the cosmic rays reaching the Earth is so low that direct detection is unthinkable in a reasonable time scale. The collaboration Pierre Auger has thus built, in the Argentine Pampa, an observatory covering an area of 3000 km² to determine the energies, masses and arrival directions of cosmic rays. Deployed detection techniques make the Pierre Auger Observatory a reference in the field of Ultra-High Energy. During the three years of my thesis, I had the chance to study the detection methods deployed by this experiment, focusing on its surface detector from the extraction of its signal to the reconstruction of the arrival direction and energy of the cosmic ray, which are presented in this manuscript along with the optimizations developed. The energy spectrum of cosmic rays is then reconstructed. The study of this spectrum, combined with the observables of composition, deduced from the fluorescence detector, allows its interpretation in term of mass. Acceleration and propagation models in Galactic or extragalactic environment can then be constrained by this combined study.

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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.