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Tese de Doutorado
DOI
https://doi.org/10.11606/T.76.2021.tde-03092021-115317
Documento
Autor
Nome completo
Luan Bonneau Arbeletche
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2021
Orientador
Banca examinadora
Souza Filho, Luiz Vitor de (Presidente)
Bonifazi, Carla Brenda
Chinellato, Carola Dobrigkeit
Gonçalves, Victor Paulo Barros
Shellard, Ronald Cintra
Título em inglês
Simulation of extensive air showers and its detection
Palavras-chave em inglês
Cosmic rays
Extensive air showers
Very-high-energy gamma rays
Resumo em inglês
Ground-based observatories allow for the detection of the most energetic forms of cosmic radiation in a multi-messenger context, including cosmic rays with energies above 1015 eV and gamma rays with energies above 1010 eV. Current experiments, such as the Pierre Auger Observatory, and forthcoming ones, such as the Cherenkov Telescope Array (CTA), have to deal with interpreting extensive air showers to reconstruct the fluxes of particles arriving at Earth. In this scenario, the general purpose of this thesis is to contribute to the improvement of the techniques used to reconstruct the properties of the primary particle in measurements of extensive air showers. In particular, four individual studies based on the simulation of air showers are presented. First, a study of the fluctuations in the atmospheric depth at which a shower reaches its maximum (Xmax) is performed. The best functional form to describe the simulated Xmax distributions is selected and, along with two alternative functions, parametrized. This study aims to improve the reconstruction of the relative abundances of primary masses in the ultra-high-energy regime (E0 > 1017 eV) and to provide a practical tool for any other studies depending on Xmax distributions. Second, the angular distribution of Cherenkov light emitted from extensive air showers is parametrized using simulations performed in a broad energy range: from 100 GeV to 1 EeV. For this, a functional form to describe the angular distribution of Cherenkov photons is built using analytical arguments, and its parameters are constrained to describe the simulated showers. The resulting parametrization can be used to reconstruct the properties of air showers both through fluorescence detectors and Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes (IACT). Third, a technique to measure Xmax through IACTs is developed. The proposed technique is shown to provide a resolution comparable to that of fluorescence detectors, allowing for mass composition studies around the knee in the cosmic-ray spectrum. Fourth, the problem of modeling hadronic interactions is visited in the context of the CTA observatory. An analysis based on simulations is performed to determine the extent to which image parameters reconstructed by IACTs are influenced by uncertainties in hadronic interaction models. Then, a computation of the uncertainty on the estimated CTA sensitivity curve due to hadronic interaction models is performed.
Título em português
Simulação de chuveiros atmosféricos extensos e sua detecção
Palavras-chave em português
Chuveiros atmosféricos extensos
Raios cósmicos
Raios gamma de altas energias
Resumo em português
Observatórios terrestres permitem a detecção da radiação cósmica em altas energias em um contexto de multi-mensageiros, incluindo raios cósmicos com energias acima de 1015 eV e raios gama com energias acima de 1010 eV. Experimentos atuais, tais como o Observatório Pierre Auger, e em fase de construção, como o Cherenkov Telescope Array (CTA), devem lidar com a interpretação de chuveiros atmosféricos extensos para reconstruir os fluxos de partículas que chegam na Terra. Neste cenário, o objetivo geral desta tese é contribuir para a melhoria das técnicas usadas na reconstrução das propriedades da partícula primária em medidas de chuveiros atmosféricos extensos. Em particular, três estudos individuais baseados em simulações de chuveiros são apresentados. Primeiro, faz-se um estudo da profundidade atmosférica na qual um chuveiro atinge seu máximo (Xmax). Determina-se a melhor forma funcional para descrever as distribuições de Xmax simuladas e, junto com duas funções alternativas, apresenta-se uma parametrização desta. Tem-se por objetivo neste estudo aperfeiçoar a reconstrução das abundâncias relativas de massas no fluxo primário de raios cósmicos ultraenergéticos (E0 > 1017 eV), bem como fornecer uma ferramenta prática para outros estudos que dependam das distribuições de Xmax. Em um segundo estudo, a distribuição angular de luz Cherenkov emitida por chuveiros atmosféricos extensos é parametrizada utilizando chuveiros simulados em uma ampla gama de energias: de 100 GeV a 1 EeV. Para tal, uma forma funcional descrevendo a distribuição angular de fótons Cherenkov é construída usando argumentos analíticos e seus parâmetros são obtidos de forma a descrever os chuveiros simulados. A parametrização resultante pode ser utilizada na reconstrução de chuveiros tanto por detectores de fluorescência como por telescópios de imagem por Cherenkov atmosférico (IACT). No terceiro estudo, o conceito de uma técnica para medir Xmax usando IACTs é elaborado. Mostra-se que a técnica é capaz de fornecer uma resolução comparável àquela de detectores de fluorescência, permitindo estudos de composição primária em energias ao redor do joelho do espectro de raios cósmicos. Por último, o problema da descrição de interações hadrônicas é visitado no contexto do Observatório CTA. Faz-se uma análise baseada em simulações para determinar em que medida os parâmetros de imagem reconstruídos em IACs são influenciados por incertezas presentes em modelos de interações hadrônicas. Em seguida, calcula-se a incerteza sobre a curva estimada de sensibilidade do CTA devido a incertezas em modelos hadrônicos.
 
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Data de Publicação
2021-09-06
 
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