Estudio de rayos cósmicos de muy alta energía con AMIGA, una extensión del Observatorio Pierre Auger : detectores de superficie y contadores de muones para estudiar la composición, dirección de arribo y espectro de los rayos cósmicos - Sidelnik, Iván Pedro (2012)
Los rayos cósmicos son partículas que llegan a nuestro planeta desde el espacioexterior, con energías comprendidas entre 109 eV y 1020 eV, siendo los másenergéticos un gran enigma, ya que no conocemos cuales son sus fuentes, sucomposición química ni cómo son acelerados. El Observatorio Pierre Auger (PAO) fue dise~nado y construido para estudiarlos rayos cósmicos a energías mayores de 1018 eV. El mismo se encuentra enla zona de Pampa Amarilla, próximo a la ciudad de Malargüe, en la provinciade Mendoza. Su tamaño gigante de aproximadamente 3000 km2 y el conceptohíbrido de detección, proporcionado por detectores de superficie y de fluorescencia atmosférica, confieren al PAO capacidad suficiente para evaluar el espectrode energía, direcciones de arribo y composición química de los rayos cósmicos. Estos observables son los más importantes y el PAO los mide con altísimaresolución y una estadística sin precedentes, utilizando las lluvias atmosféricasextensas que estos generan cuando ingresan a la atmósfera. Para bajar la energía umbral de detección del PAO a valores de 1017 eV, distintasextensiones fueron elaboradas en los últimos años. Uno de estos proyectos es Auger Muons and Infill for the Ground Array (AMIGA), que reduce la energía dedetección en una década respecto a la energía original del PAO, posibilitandoestudios en la región del espectro donde se cree encontrar una transición enel origen de los rayos cósmicos desde fuentes galácticas a extra galácticas. AMIGA posee dos tipos de detectores: por un lado detectores de superficie conseparación de 750 m, menor que la del PAO de 1500 m, generando una regiónmás densa de detectores denominada infill. Por otro lado contadores de muonesque funcionan con la técnica de centelleo, que comenzaron a instalarse juntoal arreglo denso de detectores, con el objetivo de determinar la composiciónquímica de los rayos cósmicos a partir del contenido muónico de las lluvias. Esta tesis esta abocada al estudio de los detectores y la física que posibilita AMIGA. La primer parte de la tesis esta dedicada al estudio de los contadoresde muones de AMIGA. Se presenta la caracterización del primer prototipo delcontador, a partir de la cual se entendió el funcionamiento del contador encondiciones de laboratorio y en el campo. Estos resultados fueron de suma importanciapara establecer los parámetros finales de diseño del contador. Tambiénse detallan las tareas realizadas en la etapa de construcción e instalación de losprimeros contadores de muones, indicando los primeros resultados que fueronobtenidos por estos detectores. Posteriormente se estudió la respuesta de los detectores de superficie utilizandola configuración infill y la original del PAO. Esta tarea fue realizada utilizandolos primeros datos registrados por el infill, junto a la previa modificación dela reconstrucción estándar de eventos de superficie para considerar el caso enque los detectores se encuentran ubicados a menor distancia. Se caracterizó elinfill para comprender su funcionamiento dentro de la estructura del detectorde superficie del PAO, estudiando sus incertezas y comparándolas con las delarreglo principal. Luego se modificó la cadena de reconstrucción de eventos para el detector desuperficie del PAO de forma tal de reconstruir los eventos del infill con el programaoficial Auger Offline Software. Para esto se determinó la distancia óptimaque minimiza las incertezas de la reconstrucción y se optimizó la función dedistribución lateral que mejor ajusta las se~nales de las estaciones que participanen cada evento. Se determinó el ángulo de referencia y la curva de atenuacióncon el método del Constant Intensity Cut, a fin de establecer el mejor estimadorpara la energía de los eventos del infill. Luego se realizó la calibración en energíadel infill utilizando los eventos híbridos que fueron registrados por el detector defluorescencia. Finalmente utilizando esta reconstrucción se determinó el espectrode energía de los rayos cósmicos en la zona donde el arreglo tiene máximaeficiencia de detección (2 x 1017 eV) y se obtuvo un índice espectral, cuyo resultadoes compatible con el proporcionado por el PAO y otros experimentosque exploran las mismas regiones de energía. Por otro lado no se observó lapresencia de una segunda rodilla en la zona del espectro explorada. En la última parte de esta tesis se presenta un estudio detallado de las anisotropíasa gran escala con el método East-West utilizando eventos del infill. En el rangode energías explorado, entre 1016 eV y 1019 eV, no se observó una señalsignificativa que indique anisotropías, sin embargo se encontró una constanciaen la fase del primer armónico en ascensión recta que sugiere fuertemente unaorientación del dipolo en la dirección del Centro Galáctico.