Publication: Discrimination of ultra high energy cosmic rays with the extreme universe space observatory
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Publication Date
2015-08-04
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Universidad Complutense de Madrid
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Abstract
This thesis is framed in the study of Ultra High Energy Cosmic Rays (UHECRs) by space-based telescopes such as the Extreme Universe Space Observatory (EUSO) that will be place on the International Space Station (ISS). After a brief summary of the main features of UHECRs in chapter 2, a description of the JEM-EUSO experiment has been carried out in chapter 3. In the following chapters, which are focused on my work, it has been studied how different clouds might affect the development of the Extensive Air Shower (EAS) produced in the atmosphere by UHECRs and detected from space. This effect depends not only on the optical depth and on the altitude of the cloud, but also on some properties of the EAS (such as the arrival direction or the primary energy). In chapter 4 we have investigated how the EAS signal looks like depending on the part of the Field of View (FoV) where it is produced, analyzing the difference in the number of detected photons or in the duration of the shower development in the atmosphere. In chapter 5, a trigger efficiency in cloudy conditions, called cloud efficiency, has been calculated considering the maximum development visibility requirement. This is, the maximum of the shower must be visible. We have estimated how the shower geometry and the primary particle energy are modified by the cloud in comparison with the same case in a clear atmosphere. Also, a three dimensional photon propagation module has been developed to include a more complete model of the atmosphere for a deeper shower study. In chapter 6, the two methods to reconstruct the primary energy of the UHECR and the shower maximum of the EAS in a clear atmosphere have been modified to be used in stratus-like clouds: the Cherenkov method, that relies on the determination of the Cherenkov reflected bump on the top of the cloud, and the slant depth method, which relies on the previous geometry reconstruction of the shower.
Esta tesis se enmarca dentro del estudio de los Rayos Cósmicos de Ultra Alta Enercía (UHECRs) con telescopios espaciales como el Extreme Universe Space Observatory (EUSO), que será situado en la Estación Espacial Internacional. Después de un breve resumen sobre las principales características de los UHECRs en el capítulo 2, se realiza en el capítulo 3 una descripción del experimento JEM-EUSO. Los siguientes capítulos están enfocados en mi trabajo, donde he estudiado cómo las nubes pueden afectar al desarrollo de las lluvias de partículas (EAS) producidas en la atmósfera por los UHECRs y detectadas desde espacio. Este efecto depende la profundidad óptica y altura de la nube, así como de algunas propiedades de las lluvias (como la dirección de llegada o la energía primaria). En el capítulo 4 hemos investigado cómo la señal de la lluvia producida depende de en qué parte del Campo de Visión (FoV) se haya producido, analizando la diferencia en el número de fotones detectados o en la duración del desarrollo de la lluvia en la atmósfera. En el capítulo 5, una eficiencia de activación en presencia de nubes, llamada -cloud efficiency-, se ha calculado teniendo en cuenta el requisito de -maximum development visibility-. Este considera que el máximo de la lluvia tiene que ser visible. Hemos estimado cómo la geometría de la lluvia y la energía de la partícula primaria son modificadas por la nube en comparación con el mismo caso desarrollado en cielo claro. Además, un módulo de propagación de fotones en tres dimensiones ha sido desarrollado para incluir un modelo más completo de la atmósfera para un estudio más profundo. En el capítulo 6, los dos métodos para reconstruir la energía primaria del UHECR y el máximo lluvia de la EAS en cielo claro han sido modificados para ser utilizados en nubes tipo estrato: el método de Cherenkov, que se basa en la determinación del pico de luz Cherenkov reflejada en la parte superior de la nube, y el método de slant depth, que se basa en una previa reconstrucción de la geometría de la lluvia.
Esta tesis se enmarca dentro del estudio de los Rayos Cósmicos de Ultra Alta Enercía (UHECRs) con telescopios espaciales como el Extreme Universe Space Observatory (EUSO), que será situado en la Estación Espacial Internacional. Después de un breve resumen sobre las principales características de los UHECRs en el capítulo 2, se realiza en el capítulo 3 una descripción del experimento JEM-EUSO. Los siguientes capítulos están enfocados en mi trabajo, donde he estudiado cómo las nubes pueden afectar al desarrollo de las lluvias de partículas (EAS) producidas en la atmósfera por los UHECRs y detectadas desde espacio. Este efecto depende la profundidad óptica y altura de la nube, así como de algunas propiedades de las lluvias (como la dirección de llegada o la energía primaria). En el capítulo 4 hemos investigado cómo la señal de la lluvia producida depende de en qué parte del Campo de Visión (FoV) se haya producido, analizando la diferencia en el número de fotones detectados o en la duración del desarrollo de la lluvia en la atmósfera. En el capítulo 5, una eficiencia de activación en presencia de nubes, llamada -cloud efficiency-, se ha calculado teniendo en cuenta el requisito de -maximum development visibility-. Este considera que el máximo de la lluvia tiene que ser visible. Hemos estimado cómo la geometría de la lluvia y la energía de la partícula primaria son modificadas por la nube en comparación con el mismo caso desarrollado en cielo claro. Además, un módulo de propagación de fotones en tres dimensiones ha sido desarrollado para incluir un modelo más completo de la atmósfera para un estudio más profundo. En el capítulo 6, los dos métodos para reconstruir la energía primaria del UHECR y el máximo lluvia de la EAS en cielo claro han sido modificados para ser utilizados en nubes tipo estrato: el método de Cherenkov, que se basa en la determinación del pico de luz Cherenkov reflejada en la parte superior de la nube, y el método de slant depth, que se basa en una previa reconstrucción de la geometría de la lluvia.
Description
Tesis inédita de la Universidad Complutense de Madrid, Facultad de Ciencias Físicas, Departamento de Física de la Tierra, Astronomía y Astrofísica II (Astrofísica y Ciencias de la Atmósfera), leída el 11-05-2015