Cosmic rays of energies above 1014 eV are detected mostly indirectly, by observing the extensive air showers they create in the atmosphere. Multiple experiments suggest that the current models of high-energy interactions do not describe the cosmic ray data perfectly, in particular when it comes to the prediction for the number of muons at ground. We present two models aiming to improve the description of the muon component, one based on the addition of particles with small momenta in the local center-of-mass frame of the high-energy hadronic interactions in the shower, the other on the addition of the so-called dark photons to the electromagnetic part of the shower. While we find the latter having no observable consequences, the former improves the agreement between observed and predicted amounts of muons both for the DELPHI cosmic ray data and for the measurements by the Pierre Auger Observatory. We also describe the FRAM telescope, a device used to monitor the atmosphere at the Pierre Auger Observatory, and its applications to the search for anomalous shower profiles and to the measurement of the aerosol content of the atmosphere, which is crucial for the analysis of data obtained by fluorescence detectors. 1

Le shower de bébé est une pratique rituelle très répandue dans les Cantons de l'Est. Cette recherche présente les résultats d'une étude qualitative qui porte sur six showers de bébé qui se sont déroulés dans cette région au cours de l'année 2006. L'ensemble des cas observés est l'objet d'une analyse orientée selon deux angles différents. D'abord, le déroulement de la pratique trace le cadre général d'analyse en orientant les discussions sur les trois temps forts du shower de bébé : la préparation, la pratique et l'agrégation. Ensuite, les cinq différentes structures internes du shower de bébé sont examinées selon le modèle structurel de Claude Rivière (1997). A travers plusieurs exemples empiriques, il s'agit de valider ou d'infirmer l'hypothèse de départ qui suggère que le shower de bébé dans les Cantons de l'Est est un rituel festif profane d'agrégation.

Os detectores de superfície do observatório Pierre Auger são tanques repletos de água e completamente escuros com sensores fotomultiplicadores instalados na parte interna. Quando as partículas carregadas de chuveiros atmosféricos atravessam a água com velocidade acima a da luz nesse meio, geram radiação ultravioleta devido ao efeito Cherenkov. Os sensores fotomultiplicadores desses detectores medem e convertem essa radiação em sinais elétricos que são enviados para a central de dados, registrando assim um evento. Alguns eventos apresentam comportamento incomum, caracterizado por apresentar mais de uma estrutura na série temporal, coincidentes em pelo menos dois detectores de superfície distantes. Esse trabalho se dedicou a investigar sobre as características e origens desses eventos. Devido ao grande número de dados registrados pelo Observatório Pierre Auger, foi preciso desenvolver uma ferramenta computacional para reconhecer e selecionar aqueles eventos que apresentam as estruturas desejadas de forma automática. Após, esse filtro, tentamos determinar um padrão buscando semelhanças ou tendências em variáveis dos chuveiros, como a energia e a direção de chegada. Em segunda análise olhamos para os eventos híbridos, chuveiros observados pelos detectores de superfície e pelos telescópios de fluorescência simultaneamente, de modo a analisar o desenvolvimento longitudinal do chuveiro. Na sequência, foram realizado algumas simulações de chuveiros para alguns dos eventos selecionados com o algoritmo desenvolvido. Esses eventos foram então reconstituídos, simulando uma detecção pelo observatório, com o intuito de determinar se a origem desse sinal anômalo está relacionada a uma resposta dos detectores. O último passo, foi analisar a razão entre a proporção de eventos selecionados e o número total de eventos observados em função da energia da partícula primária, o que revelou uma relação entre essas duas grandezas. / The surface detectors of Pierre Auger observatory are water filled tanks and completely dark with photomultiplier sensors installed indoors. When charged particles of air showers cross the water with velocities above that of light in this medium, ultraviolet radiation is generated due to the Cherenkov effect. The photomultiplier sensors of these detectors measure and convert this radiation into electrical signals that are sent to the data center, thus recording an event. Some events have unusual behavior, characterized by having more than one structure in its time series, coincident in at least two distant surface detectors. This work was dedicated to investigate the characteristics and origins of these events. Due to the large amount of data recorded by the Pierre Auger Observatory it was necessary to develop a computational tool to automatically recognize and select those events that present the desired structure type. After applying this filter, we tried to determine a pattern by looking for similarities or trends in air-shower variables, such as energy and direction of arrival. In a second analysis, we looked at the hybrid events, air showers observed by the surface detectors and the fluorescence telescopes simultaneously, in order to analyze the longitudinal development of air shower. In the sequence, we performed some simulations of air showers for some events selected with the developed algorithm. These events were then reconstituted, simulating a detection by the observatory for the purpose of determinin if the origin of this anomalous signal is related to a response of the detectors. The last step was to analyze the ratio between the proportion of selected events and the total number of events observed as a function of the energy of the primary particle, which revealed a relation between these two quantities.

Orientador: José Augusto Chinellato / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-09-03T07:30:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Perassa_EderArnedo_D.pdf: 3556275 bytes, checksum: c4e6180df4a4a5dcbfe476b7d331bee4 (MD5) Previous issue date: 2017 / Resumo: Neste trabalho, estudamos os métodos de estatística bayesiana e máxima entropia na análise de dados em eventos de raios cósmicos. Inicialmente, fizemos um resumo sobre o desenvolvimento da física de raios cósmicos em que descrevemos alguns resultados teóricos e experimentais recentes. A seguir, apresentamos uma breve revisão do método bayesiano e o aplicamos na determinação da composição em massa dos primários em eventos de raios cósmicos. Além disso, introduzimos o método de máxima entropia e propomos um método de parametrização do perfil longitudinal de chuveiros atmosféricos extensos. Em todas as aplicações, foram mostrados os algoritmos desenvolvidos e os resultados obtidos a partir de dados de eventos simulados. Os resultados indicaram que tais métodos podem ser utilizados satisfatoriamente como ferramentas na análise de dados em eventos de raios cósmicos / Abstract: In this work, we study bayesian statistics and maximum entropy methods in cosmic ray events data analysis. At first, we summarized developments in cosmic rays physics, describing some recent theoretical and experimental results. We present briefly a review of bayesian method and apply it to the problem of determining mass composition primary cosmic ray events. Moreover, we introduce the maximum entropy method and propose a method for the parametrization of the longitudinal profile of extensive air showers. In all applications, the algorithms developed and the results obtained from simulated event data were shown. The results suggested that such methods can be satisfactorily used as tools in cosmic rays events data analysis / Doutorado / Física / Doutor em Ciências / 277612/2007 / CAPES

<p>The Standard Model describes all elementary particles known today, but at larger energies it will have to be complemented with new particles and interactions. To be able to distinguish new physics at proton colliders such as LHC at CERN, it is essential to have an appropriate description of the colliding protons and their interactions. The study of the proton is important also in itself, to get a better understanding of the non-perturbative aspects of the strong interaction.</p><p>In paper I-IV of this thesis, a model for the non-perturbative dynamics of quarks and gluons is developed, based on quantum fluctuations in hadrons. The parton distributions of the proton are given by momentum fluctuations, with sea quark distributions generated by fluctuations into baryon-meson pairs. This model can reproduce proton structure function data, as well as measured asymmetries between up and down valence quark distributions and between the anti-up and anti-down sea. It provides an intrinsic charm quark component as indicated by data. It also predicts an asymmetry in the strange sea of the proton, which can explain the NuTeV anomaly first attributed to new physics beyond the Standard Model.</p><p>Charged Higgs bosons are predicted by several theories for new physics, including Supersymmetry. At proton colliders, the predicted dominant production mechanism is in association with top and bottom quarks. In paper V-VII, different contributions to this production are studied, and an algorithm is developed for combining the two dominant processes gb -> tH^+/- and gg -> tbH^+/-. The algorithm gives a smooth transition from small to large transverse momenta of the b-quark, which is important when the b-quark is observed. It also gives arguments for the choice of factorisation scale in the process.</p>

The Standard Model describes all elementary particles known today, but at larger energies it will have to be complemented with new particles and interactions. To be able to distinguish new physics at proton colliders such as LHC at CERN, it is essential to have an appropriate description of the colliding protons and their interactions. The study of the proton is important also in itself, to get a better understanding of the non-perturbative aspects of the strong interaction. In paper I-IV of this thesis, a model for the non-perturbative dynamics of quarks and gluons is developed, based on quantum fluctuations in hadrons. The parton distributions of the proton are given by momentum fluctuations, with sea quark distributions generated by fluctuations into baryon-meson pairs. This model can reproduce proton structure function data, as well as measured asymmetries between up and down valence quark distributions and between the anti-up and anti-down sea. It provides an intrinsic charm quark component as indicated by data. It also predicts an asymmetry in the strange sea of the proton, which can explain the NuTeV anomaly first attributed to new physics beyond the Standard Model. Charged Higgs bosons are predicted by several theories for new physics, including Supersymmetry. At proton colliders, the predicted dominant production mechanism is in association with top and bottom quarks. In paper V-VII, different contributions to this production are studied, and an algorithm is developed for combining the two dominant processes gb -&gt; tH+/- and gg -&gt; tbH+/-. The algorithm gives a smooth transition from small to large transverse momenta of the b-quark, which is important when the b-quark is observed. It also gives arguments for the choice of factorisation scale in the process.

Orientador: Prof. Dr. Marcelo Augusto Leigui de Oliveira / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Física, 2016. / We present in this work studies on ultra-high energy cosmic rays using the air- uorescence detection technique. The research main objective consists in event reconstructions from a fluorescence telescope, such that a simulation code has been developed taking into account the physical processes involved in the generation and the propagation of uorescence photons from an extensive air shower to a telescope. The secondary particles of air showers has been previously obtained using CORSIKA code for dierent primary energies and compositions. Furthermore, the photon generation has been calculated using Bethe and Bloch equation for the energy loss of electrons and positrons in air and the uorescence yield parameterized with air conditions at given altitudes. The attenuation of photons towards the telescope has been calculated for Rayleigh and Mie scatterings. With the developed simulation, it was possible to study the dependence of the shower maximum depth in the atmosphere, considering dierent experimental congurations for the telescopes used in the Pierre Auger Observatory, Telescope Array and MonRAt. Finally, the reconstruction of the geometric parameters of cosmic rays has been performed by the determination of the arrival directions and the angular reconstruction limits.

Os detectores de superfície do observatório Pierre Auger são tanques repletos de água e completamente escuros com sensores fotomultiplicadores instalados na parte interna. Quando as partículas carregadas de chuveiros atmosféricos atravessam a água com velocidade acima a da luz nesse meio, geram radiação ultravioleta devido ao efeito Cherenkov. Os sensores fotomultiplicadores desses detectores medem e convertem essa radiação em sinais elétricos que são enviados para a central de dados, registrando assim um evento. Alguns eventos apresentam comportamento incomum, caracterizado por apresentar mais de uma estrutura na série temporal, coincidentes em pelo menos dois detectores de superfície distantes. Esse trabalho se dedicou a investigar sobre as características e origens desses eventos. Devido ao grande número de dados registrados pelo Observatório Pierre Auger, foi preciso desenvolver uma ferramenta computacional para reconhecer e selecionar aqueles eventos que apresentam as estruturas desejadas de forma automática. Após, esse filtro, tentamos determinar um padrão buscando semelhanças ou tendências em variáveis dos chuveiros, como a energia e a direção de chegada. Em segunda análise olhamos para os eventos híbridos, chuveiros observados pelos detectores de superfície e pelos telescópios de fluorescência simultaneamente, de modo a analisar o desenvolvimento longitudinal do chuveiro. Na sequência, foram realizado algumas simulações de chuveiros para alguns dos eventos selecionados com o algoritmo desenvolvido. Esses eventos foram então reconstituídos, simulando uma detecção pelo observatório, com o intuito de determinar se a origem desse sinal anômalo está relacionada a uma resposta dos detectores. O último passo, foi analisar a razão entre a proporção de eventos selecionados e o número total de eventos observados em função da energia da partícula primária, o que revelou uma relação entre essas duas grandezas. / The surface detectors of Pierre Auger observatory are water filled tanks and completely dark with photomultiplier sensors installed indoors. When charged particles of air showers cross the water with velocities above that of light in this medium, ultraviolet radiation is generated due to the Cherenkov effect. The photomultiplier sensors of these detectors measure and convert this radiation into electrical signals that are sent to the data center, thus recording an event. Some events have unusual behavior, characterized by having more than one structure in its time series, coincident in at least two distant surface detectors. This work was dedicated to investigate the characteristics and origins of these events. Due to the large amount of data recorded by the Pierre Auger Observatory it was necessary to develop a computational tool to automatically recognize and select those events that present the desired structure type. After applying this filter, we tried to determine a pattern by looking for similarities or trends in air-shower variables, such as energy and direction of arrival. In a second analysis, we looked at the hybrid events, air showers observed by the surface detectors and the fluorescence telescopes simultaneously, in order to analyze the longitudinal development of air shower. In the sequence, we performed some simulations of air showers for some events selected with the developed algorithm. These events were then reconstituted, simulating a detection by the observatory for the purpose of determinin if the origin of this anomalous signal is related to a response of the detectors. The last step was to analyze the ratio between the proportion of selected events and the total number of events observed as a function of the energy of the primary particle, which revealed a relation between these two quantities.

Orientador: Jose Augusto Chinellato / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-09T22:35:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Perassa_EderArnedo_M.pdf: 7742499 bytes, checksum: 5f8e2630e2b11b5f5965e6b95c19be9b (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Neste trabalho são estudados os métodos de estatística bayesiana e máxima entropia na análise de dados. É feita uma revisão dos conceitos básicos e procedimentos que podem ser usados para in-ferência de distribuições de probabilidade. Os métodos são aplicados em algumas áreas de interesse, com especial atenção para os casos em que há pouca informação sobre o conjunto de dados. São apresentados algoritmos para a aplicação de tais métodos, bem como alguns exemplos detalhados em que espera-se servirem de auxílio aos interessados em aplicações em casos mais comuns de análise de dados / Abstract: In this work, we study the methods of Bayesian Statistics and Maximum Entropy in data analysis. We present a review of basic concepts and procedures that can be used for inference of probability distributions. The methods are applied in some interesting fields, with special attention to the cases where there¿s few information on set of data, which can be found in physics experiments such as high energies physics, astrophysics, among others. Algorithms are presented for the implementation of such methods, as well as some detailed examples where it is expected to help interested in applications in most common cases of data analysis / Mestrado / Física das Particulas Elementares e Campos / Mestre em Física

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