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

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