Study of ultra high energy cosmic rays with AMIGA, an extension of the Pierre Auger Observatory: surface detectors and muon counter tu study the composition, the arrival direction and spectrum of the cosmic rays

Los rayos cósmicos son partículas que llegan a nuestro planeta desde el espacio exterior, con energías comprendidas entre 109 eV y 1020 eV, siendo los más energéticos un gran enigma, ya que no conocemos cuales son sus fuentes, su composición química ni cómo son acelerados. El Observatorio Pierre Auger (PAO) fue dise~nado y construido para estudiar los rayos cósmicos a energías mayores de 1018 eV. El mismo se encuentra en la zona de Pampa Amarilla, próximo a la ciudad de Malargüe, en la provincia de Mendoza. Su tamaño gigante de aproximadamente 3000 km2 y el concepto híbrido de detección, proporcionado por detectores de superficie y de fluorescencia atmosférica, confieren al PAO capacidad suficiente para evaluar el espectro de energía, direcciones de arribo y composición química de los rayos cósmicos. Estos observables son los más importantes y el PAO los mide con altísima resolución y una estadística sin precedentes, utilizando las lluvias atmosféricas extensas que estos generan cuando ingresan a la atmósfera. Para bajar la energía umbral de detección del PAO a valores de 1017 eV, distintas extensiones fueron elaboradas en los últimos años. Uno de estos proyectos es Auger Muons and Infill for the Ground Array (AMIGA), que reduce la energía de detección en una década respecto a la energía original del PAO, posibilitando estudios en la región del espectro donde se cree encontrar una transición en el origen de los rayos cósmicos desde fuentes galácticas a extra galácticas. AMIGA posee dos tipos de detectores: por un lado detectores de superficie con separación de 750 m, menor que la del PAO de 1500 m, generando una región más densa de detectores denominada infill. Por otro lado contadores de muones que funcionan con la técnica de centelleo, que comenzaron a instalarse junto al arreglo denso de detectores, con el objetivo de determinar la composición química 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 contadores de muones de AMIGA. Se presenta la caracterización del primer prototipo del contador, a partir de la cual se entendió el funcionamiento del contador en condiciones de laboratorio y en el campo. Estos resultados fueron de suma importancia para establecer los parámetros finales de diseño del contador. También se detallan las tareas realizadas en la etapa de construcción e instalación de los primeros contadores de muones, indicando los primeros resultados que fueron obtenidos por estos detectores. Posteriormente se estudió la respuesta de los detectores de superficie utilizando la configuración infill y la original del PAO. Esta tarea fue realizada utilizando los primeros datos registrados por el infill, junto a la previa modificación de la reconstrucción estándar de eventos de superficie para considerar el caso en que los detectores se encuentran ubicados a menor distancia. Se caracterizó el infill para comprender su funcionamiento dentro de la estructura del detector de superficie del PAO, estudiando sus incertezas y comparándolas con las del arreglo principal. Luego se modificó la cadena de reconstrucción de eventos para el detector de superficie del PAO de forma tal de reconstruir los eventos del infill con el programa oficial Auger Offline Software. Para esto se determinó la distancia óptima que minimiza las incertezas de la reconstrucción y se optimizó la función de distribución lateral que mejor ajusta las se~nales de las estaciones que participan en cada evento. Se determinó el ángulo de referencia y la curva de atenuación con el método del Constant Intensity Cut, a fin de establecer el mejor estimador para la energía de los eventos del infill. Luego se realizó la calibración en energía del infill utilizando los eventos híbridos que fueron registrados por el detector de fluorescencia. Finalmente utilizando esta reconstrucción se determinó el espectro de energía de los rayos cósmicos en la zona donde el arreglo tiene máxima eficiencia de detección (2 x 1017 eV) y se obtuvo un índice espectral, cuyo resultado es compatible con el proporcionado por el PAO y otros experimentos que exploran las mismas regiones de energía. Por otro lado no se observó la presencia de una segunda rodilla en la zona del espectro explorada. En la última parte de esta tesis se presenta un estudio detallado de las anisotropías a gran escala con el método East-West utilizando eventos del infill. En el rango de energías explorado, entre 1016 eV y 1019 eV, no se observó una señal significativa que indique anisotropías, sin embargo se encontró una constancia en la fase del primer armónico en ascensión recta que sugiere fuertemente una orientación del dipolo en la dirección del Centro Galáctico.Cosmic rays are particles that arrive at Earth from outer space with energies that span from 109 eV to 1020 eV, being the most energetic an enigma because of the lack of knowledge of their sources, chemical composition, or the acceleration mechanism. The Pierre Auger Observatory (PAO) was designed and built to study cosmic rays with energy larger than 1018 eV. It is located in the region of Pampa Amarilla, next to Malargue, Mendoza. Its giant size of 3000 km2 and the hybrid concept given by the surface and uorescence detectors, gives to the PAO the capacity to evaluate the energy spectrum, arrival direction and chemical composition of cosmic rays. These observables are the most important to characterize cosmic rays and the PAO measures them with high resolution and a very large statistics using the extended air showers that are generated when they enter in to the atmosphere. To lower the energy threshold of detection to values of 1017 eV different enhancements started in the latests years. One of those is Auger Muons and Infill for the Ground Array (AMIGA), that reduce the detection energy in one decade giving the chance to study the region in the energy spectrum where it can occur the transition from galactic to extra galactic cosmic ray sources. AMIGA is composed by two kind of detectors: on one hand surface detectors with a separation of 750 m, less than the PAO of 1500 m, generating a small and denser region called infill. On the other hand muon counters that work with the scintillator technique, that are being installed next to the denser surface array with the purpose of determine the chemical composition of cosmic rays trough the detection of the muonic content of the shower. This thesis is dedicated to the study of the detectors and the physics attained by AMIGA. The first part of this thesis shows a study of the AMIGA muon counter prototypes. A characterization of the first counter prototype is presented from which the performance of the detector in laboratory conditions and in the field was understood. This results were of paramount importance to establish the final design of the muon counter detector. Also the task involving the construction and deployment phase of the first muon counters are detailed, indicating the firsts results. Then the study of the surface detector performance of the PAO using infill and original configuration is shown. This task was done using the first infill data available, with the modification of the standard event reconstruction to consider the denser array case. The infill was characterized to understand its behaviour inside the structure of the PAO surface array detector, studying its uncertainties and making a comparison with the main array. Then the reconstruction chain was modified for the PAO surface detector, in a way that allows the reconstruction of infill data with the official program Auger Offline Software. In order to do this, the optimal distance that minimize the uncertainties of the reconstruction was calculated, and then the lateral distribution function that fit better the signal of the stations that participate in the event was optimized. The reference angle and the curve with the Constant Intensity Cut method were determined, to establish the best energy estimator for infill events. The energy calibration was performed using hybrids events that were also registered by the fluorescence detector. Finally, using this reconstruction the energy spectrum of cosmic rays was determined in the region were the array has full detection efficiency (2x 10 *27 eV) and an spectral index was calculated, which result turns out to be compatible with the given by the PAO and other experiments that explore the same energy regions that the infill. On the other hand no presence of the second knee was observed in the explored energy region. The last part of this thesis shows a detailed study of large scale anisotropy using the East-West method with infill events. In the explored energy range between 1016 eV and 1019 eV, no significant signal that indicates anisotropy was found, however a constant first harmonic phase in right ascension was measured that suggest a dipole orientation towards the Galactic Center direction.Fil:Sidelnik, Iván Pedro. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina