FCEN-UBA | Tamashiro, Alejandro Andr閟. 2010 "Espectro y composici髇de los rayos c髎micos en

244 Pages·2012·9.3 MB·Spanish

by  Tamashiro, Alejandro Andrés

Tesis Doctoral
EEssppeeccttrroo yy ccoommppoossiicciióónn ddee llooss rraayyooss
ccóóssmmiiccooss eenn eell rraannggoo ddee eenneerrggííaa ddee llaa
ttrraannssiicciióónn ggaallááccttiiccaa--eexxttrraaggaallááccttiiccaa
Tamashiro, Alejandro Andrés
2010
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Tamashiro, Alejandro Andrés. (2010). Espectro y composición de los rayos cósmicos en el rango
de energía de la transición galáctica-extragaláctica. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales.
Universidad de Buenos Aires.
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Tamashiro, Alejandro Andrés. "Espectro y composición de los rayos cósmicos en el rango de
energía de la transición galáctica-extragaláctica". Facultad de Ciencias Exactas y Naturales.
Universidad de Buenos Aires. 2010.
DDiirreecccciióónn:: Biblioteca Central Dr. Luis F. Leloir, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires. CCoonnttaaccttoo:: [email protected]
Intendente Güiraldes 2160 - C1428EGA - Tel. (++54 [phone]
UNIVERSIDAD DE BUENOS AIRES
Fa
ultad de Cien
ias Exa
tas y Naturales
Departamento de Físi
a
Espe
tro y
omposi
ión de los rayos
ósmi
os en el
rango de energía de la transi
ión
galá
ti
a-extragalá
ti
a
Trabajo de Tesis para optar al título de
Do
tor de la Universidad de Buenos Aires en el área de Cien
ias Físi
as
por Alejandro Andrés Tamashiro
Dire
tor de Tesis: Dr. Adrián Carlos Rovero
Dire
tor Asistente: Dr. Alberto Et
hegoyen
Lugar de Trabajo: Instituto de Astronomía y Físi
a del Espa
io
CONICET-UBA
Agosto 2010

A mis
hi
as Eri
a, Abril y Maemi.

Agrade
imientos
Durante la etapa de mi do
torado he
ontado
on el apoyo y guía de Adrián
Rovero, a quien agradez
o su pa
ien
ia, su dedi
a
ión, su ex
elente predisposi-

ión en el pro
eso de mi forma
ión
omo
ientí(cid:28)
o,
omo así también haberme
trasmitido espíritu proa
tivo y
urioso por entender
ada día más y más.
También quiero agrade
er a Alberto Et
hegoyen sus sabios
onsejos y haberme
otorgado un tiempo valioso dentro de su apretada agenda, para realizar nuestras
reuniones de los (cid:16)Miér
oles(cid:17), que
onstituyeron el espaldarazo (cid:28)nal que ne
esitaba
para darle una
on
lusión al presente trabajo.
A Daniel y Matias su predisposi
ión en
ompartir y dis
utir
onmigo los re-
sultados de sus trabajos sobre los
uales me he apoyado para realizar una parte
importante de mi trabajo que forman parte de esta tesis.
A los
ompañeros de batalla de la
alibra
ión
on el Drum: Je(cid:27), Pablo, John,
Rob, a mis
olegas y amigos de do
torado del IAFE, del Tandar y de la UTN:
Anita, Martín, Cle, Diego, Fede, nuestra (cid:16)senior do
tora(cid:17) Carla, Mar
os y Andrés
les agradez
o su amistad y los hermosos momentos
ompartidos en Malargüe.
A mis amigos y
olegas del IAFE, quienes generan del lugar de trabajo un
ambiente familiary
ordial que ha
e que todo investigador quiera formar parte de
esta institu
ión.
A Sergio, Pablo, Daniel, Alberto y Liliana su amistad, apoyo y
onsejos, prin-

ipalmente en aquellas épo
as donde pare
ía muy lejana la
ulmina
ión de mi
do
torado.
A Mamá, Papá, Ale, Ovi y Tío Fernando su apoyo in
ondi
ional y ayudarme
a
uidar de mis dos joyitas más pre
iadas.
A Eri
a, mi esposa, amiga y
ompañera de la vida, su amor,
omprensión y

onten
ión en los momentos más difí
iles y también en los más feli
es, y a Abril
y a Memi quienes ha
en que el esfuerzo y dedi
a
ión invertidos en realizar este
trabajo tengan sentido.
i

Resumen
La atmósfera terrestre está siendo
ontinuamente bombardeada por partí
ulas
que viajan a gran velo
idad, las
uales
ontribuyen a la radia
tividad natural
observada en la super(cid:28)
ie terrestre. A prin
ipios del siglo pasado, se pensó que
estaradia
ióneraoriginadaporrayosgamma,ya queestos
onstituíanlaradia
ión
extraterrestre más energéti
a y penetrante
ono
ida en aquella épo
a. Es por ello
quelosentesresponsablesdegenerarestaradia
iónfueronbautizados
omo(cid:16)Rayos
Cósmi
os(cid:17).
Hoy en día se sabe que la mayoría de estos (cid:16)rayos(cid:17) son nú
leos de átomos y
sólo una pequeña por
ión son rayos gammay ele
trones. Su espe
tro de energía se
109eV 1020eV
extiende a lo largo de 11 dé
adas desde hasta energías del orden de ,
energías mu
ho mayores a las al
anzadas por partí
ulas en
ualquier a
elerador

reado por el hombre.
1017 eV
La zona de los rayos
ósmi
os
on energías mayores a ∼ es objeto de
estudio en la a
tualidad, debido a que todavía existen mu
has preguntas sin res-
pondera
er
adesunaturaleza,su
omposi
iónquími
ayespe
tro,losme
anismos
que les permiten al
anzar energías ma
ros
ópi
as, la ubi
a
ióny
ara
terísti
as de
los objetos astrofísi
os donde se generan, su propaga
ión a través del espa
io, e
in
lusive
uestiones más tras
endentales para la físi
a,
omo su se

ión e(cid:28)
az
on
nu
leones y fotones, temas aún
uestionados para estas energías tan elevadas.
El Observatorio Pierre Auger es un experimento a
tualmente a
tivo dedi
ado
al estudio de los rayos
ósmi
os altamente energéti
os,
uyo objetivo es brindar
informa
ión destinada a responder los enigmas aún vigentes para estas energías.
El observatorio fue originalmente diseñado para dete
tar rayos
ósmi
os
on
& 1018eV
energías . El (cid:29)ujo de los rayos
ósmi
os en este rango de energías es
. 1 km2/sr/
muy bajo ( partí
ula/ año ). Es por ello que se plani(cid:28)
ó que el área de
6000 km2

ole

ión del Observatorio Pierre Auger al
an
e los , para poder dispo-
ner de una
antidad de eventos
on una estadísti
a sin pre
edentes en este rango
de energías. La
ara
terísti
a distintiva de este observatorio es la de ser híbrido,
disponiendo de dos tipos de dete
tores: el dete
tor de teles
opios de Fluores
en-

ia y el arreglo de esta
iones Cherenkov de Super(cid:28)
ie, que le permite registrar el
desarrollo longitudinal y las partí
ulas al nivel de la super(cid:28)
ie terrestre respe
ti-
vamente, pertene
ientes a la lluvia de partí
ulas generadas por los rayos
ósmi
os
en la atmósfera terrestre.
El Observatorio Pierre Auger
onsta de un sitio en el hemisferio sur y otro en
el norte. El Observatorio norte está en la fase de investiga
ión y desarrollo y será

onstruido en Larmaren el estado de Coloradoen Estados Unidos. El observatorio
iii
iv Resumen
sur se ubi
a en el departamento de Malargüe en la provin
ia de Mendoza y está
formado por un arreglo triangular de 1600 esta
iones Cherenkov de super(cid:28)
ie
1500 m km2
espa
iadas a ,
ubriendo un área de 3000 , y por 24 teles
opios de
(cid:29)uores
en
ia apuntando ha
ia el interior del arreglo de super(cid:28)
ie distribuidos en 4
emplazamientos en su periferia. La etapa de
onstru

ión del Observatorio sur ha
(cid:28)nalizado y ahora se en
uentra en una etapa de in
orpora
ión de extensiones para
1017eV
bajar el umbral de dete

ión a energías del orden del ∼ ,
on el (cid:28)n de poder
estudiar la zona del espe
tro de energías donde existe una gran riqueza físi
a, ya
que se supone se en
uentra la transi
ión galá
ti
a-extragalá
ti
a del origen de los
rayos
ósmi
os.
Las extensiones men
ionadas son dos, AMIGA y HEAT. La primera
onsis-
te en agregar dos nuevos arreglos más pequeños de esta
iones de super(cid:28)
ie
on
433 m 750 m
espa
iamientos de y . La segunda de las extensiones ya está en fun-

ionamiento y
onsiste en el agregado de 3 teles
opios de (cid:29)uores
en
ia apuntando
a la parte más alta del desarrollo de las lluvias atmosféri
as.
Las esta
iones Cherenkov de los nuevos arreglosestarán a
ompañadas por
on-
tadores de muones que serán enterrados a sus lados. Esto permitirá medir dire
-
tamente la
omponente muóni
a de las lluvias, informa
ión que será destinada a
realizar estudios de
omposi
ión del rayo
ósmi
o primario.
La
alibra
ión del Observatorio es fundamental para obtener el espe
tro de
energía de los rayos
ósmi
os dete
tados. Durante mi tesis do
toral he trabajado
en la
alibra
ión, tanto de los dete
tores de (cid:29)uores
en
ia,
omo así también de las
esta
iones Cherenkov de super(cid:28)
ie.
La
alibra
ión absoluta del dete
tor de (cid:29)uores
en
ia
onsiste en ex
itar
ada
uno de los teles
opios mediante una fuente de luz arti(cid:28)
ial extensa que se
o-
lo
a sobre su apertura. He
ara
terizado esta fuente determinando el grado de
uniformidad de su emisión de luz. Mediante el desarrollo de una simula
ión de
trazado de rayos he estudiado los efe
tos de la desvia
ión respe
to de la emisión
perfe
tamente uniforme y he desarrollado un método para
orregir estos efe
tos.
La
alibra
ión del dete
tor de super(cid:28)
ie se realiza utilizando la informa
ión
de las señales generadas por los muones atmosféri
os de fondo. Para ello he par-
ti
ipado en estudios que utilizan
ál
ulos de Monte Carlo y semi-analíti
os para
reprodu
ir y entender estas señales.
Explotando la
ara
terísti
a híbrida del Observatorio Pierre Auger he desa-
rrollado un método para obtener la a
eptan
ia del dete
tor de super(cid:28)
ie a través
de la utiliza
ión de datos reales del dete
tor de (cid:29)uores
en
ia,
omo alternativa a
los métodos tradi
ionales que se basan en resultados obtenidos a través de simu-
la
iones numéri
as, las
uales dependen de los modelos de intera

ión hadróni
a
adoptados.
Las simula
iones del pro
eso de adquisi
ión y re
onstru

ión de los eventos
produ
idos por los rayos
ósmi
os involu
ran: la genera
ión de la lluvia, la res-
puesta de los instrumentos del observatorio, y la re
onstru

ión de los parámetros
del evento. Disponer de una
adena de simula
ión y re
onstru

ión de los eventos
es fundamental para entender y evaluar el
omportamiento del Observatorio. Por
ello implementé una simula
ión
ompleta del Observatorio, que
ontempla los te-
les
opios de HEAT, las esta
iones del nuevo arreglo AMIGA, y la propaga
ión de
Resumen v
las partí
ulas a través de la tierra hasta llegar a la profundidad de los
ontadores
de muones. Los estudios realizados
on este programa de simula
ión han
ontri-
buido
on la etapa de investiga
ión y desarrollo de los
ontadores de muones de la
extensión AMIGA, propor
ionando informa
ión para la determina
ión del lugar
óptimo para la instala
ión de los nuevos arreglos de super(cid:28)
ie,
omo así también
paradeterminaraqué profundidaddebenser enterrados los
ontadores demuones.
Finalmente he realizado un estudio para determinar los observables más rele-
vantes para la dis
rimina
ión de la
omposi
ión del los rayos
ósmi
os, basados
en té
ni
as del análisis estadísti
o multivariado y del ámbito de la inteligen
ia
arti(cid:28)
ial, hasta ahora no muy difundidos en el
ampo de la astrofísi
a. Con este
análisis pude evaluar la importan
ia de los observables aportados por los distintos
tiposde dete
tores, el de (cid:29)uores
en
ia, elde super(cid:28)
ie y los
ontadores de muones,
a la hora de distinguir la
omposi
ión quími
a del rayo
ósmi
o primario.
Palabras Clave: Rayos Cósmi
os, Dete
tores de Fluores
en
ia, Dete
tores de
Muones, Composi
ión Quími
a, Calibra
ión Absoluta.