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

El presente trabajo de tesis se enmarca dentro de las actividades de investigación del Observatorio Pierre Auger. En particular, se estudió la posibilidad de utilizar un nuevo parámetro sensible a composición, que surge del estudio de las distribuciones de tiempos de arribo de las partículas secundarias en los detectores de superficie. La idea general consiste en utilizar el valor del risetime de las señales en los detectores de superficie a 1000 metros del punto de impacto de la lluvia (R<SUB>1000</SUB>), estudiando la forma de las distribuciones obtenidas a partir de dicho parámetro. En el proceso de construcción del nuevo parámetro que describe la forma de las distribuciones de R<SUB>1000</SUB>, se ha contribuido también a la optimización del cálculo del risetime y sus incertezas. En el capítulo 1 del presente trabajo se introduce el marco teórico relacionado a los rayos cósmicos ultraenergéticos. Se presentar a la física relacionada con las cascadas de partículas secundarias destacando las propiedades sensibles a composición primaria. En los capítulos 2 y 3 se describe el Observatorio Pierre Auger y el modo en que son detectadas las lluvias de partículas, dando una explicación detallada del funcionamiento del detector. En el capítulo 4 se mostrarán los resultados más relevantes obtenidos por la colaboración del Observatorio Pierre Auger. A partir del capítulo 5 se describen los estudios específicos y originales realizados en el marco del presente trabajo de tesis. En el capítulo 5 se presentan los resultados de estudios de estabilidad a largo plazo del detector de superficie, fundamentales para todo análisis basado en los datos de dicho detector. En el capítulo 6, se presentan los resultados obtenidos para la optimización en el cálculo del risetime a 1000 metros así como las modificaciones que a partir de estos estudios se han incluido en el software de reconstrucción de las lluvias. El capítulo 7 contiene los estudios realizados sobre la distribución del risetime a 1000 metros y los parámetros que describen su forma, analizando su evolución en función de la energía. Se discuten también los resultados obtenidos. Finalmente en el capítulo 8 se presentan los resultados del análisis estadístico efectuado sobre las distribuciones completas de R<SUB>1000</SUB>, y su discusión. Finalmente se presentan las conclusiones y perspectivas futuras a partir de esta tesis.

La presente Tesis de Doctorado está enmarcada en el estudio de rayos cósmicos dentro del Observatorio Pierre Auger. Su temática se vincula a la necesidad, propia de un experimento de estudio de rayos cósmicos, de conocer las características de la atmósfera en el instante en que sucede un evento. En particular se ha estudiado la profundidad atmosférica, parámetro de suma importancia vinculado a la cantidad de materia atravesada por las partículas en su trayecto por la atmósfera. En base a una idea original hemos construido un modelo que permite reproducir los perfiles de profundidad atmosférica en cualquier instante de tiempo, a partir de un parámetro de fácil y de permanente acceso como lo es el valor de la temperatura en el suelo. Este modelo que hemos denominado GAMMA, fue desarrollado en base a mediciones realizadas en el sitio del Observatorio Auger. Sin embargo, y así queda reflejada en estudios indicados en el presente trabajo, su idea central es aplicable a otros sitios. El desarrollo del modelo GAMMA incluyó también una serie de análisis referidos a optimizar sus predicciones y su rango de validez. Los resultados alcanzados con el modelo GAMMA son muy satisfactorios. Se consigue reproducir los perfiles de profundidad atmosférica con un muy bajo nivel de incerteza. Asimismo, ha salido exitoso en la comparación con otros modelos previamente aplicados en estudios del Observatorio Auger, reflejando incertezas similares o incluso menores.

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

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

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

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