Medición del flujo de neutrinos cósmicos ultra energéticos mediante detectores de superficie

Pieroni, Pablo Emanuel

Registro:

Documento:	Tesis Doctoral
Disciplina:	fisica
Título:	Medición del flujo de neutrinos cósmicos ultra energéticos mediante detectores de superficie
Título alternativo:	Measurement of the ultra high energy cosmic neutrino flux by means of surface detectors
Autor:	Pieroni, Pablo Emanuel
Editor:	Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales
Publicación en la Web:	2016-07-26
Fecha de defensa:	2016-03-14
Fecha en portada:	2016-03-14
Grado Obtenido:	Doctorado
Título Obtenido:	Doctor de la Universidad de Buenos Aires en el área de Ciencias Físicas
Director:	Piegaia, Ricardo; Alvarez Muñiz, Jaime
Consejero:	Sassot, Rodolfo
Jurado:	de Florian, Daniel; Dova, María T.; Sánchez, Federico
Idioma:	Español
Palabras clave:	RAYOS COSMICOS; NEUTRINOS UHE; NEUTRINOS COSMOGENICOS; OBSERVATORIO PIERRE AUGER; CASCADAS ATMOSFERICAS; EMISION Y DETECCION DE ONDAS DE RADIOCOSMIC RAYS; UHE NEUTRINOS; COSMOGENIC NEUTRINOS; PIERRE AUGER OBSERVATORY; ATMOSPHERIC SHOWERS; EMISSION AND DETECTION OF RADIO WAVES
Tema:	física/física de partículas física/astrofísica
Formato:	PDF
Handle:	http://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n5927_Pieroni
PDF:	https://bibliotecadigital.exactas.uba.ar/download/tesis/tesis_n5927_Pieroni.pdf
Registro:	https://bibliotecadigital.exactas.uba.ar/collection/tesis/document/tesis_n5927_Pieroni
Ubicación:	Dep.FIS 005927
Derechos de Acceso:	Esta obra puede ser leída, grabada y utilizada con fines de estudio, investigación y docencia. Es necesario el reconocimiento de autoría mediante la cita correspondiente. Pieroni, Pablo Emanuel. (2016). Medición del flujo de neutrinos cósmicos ultra energéticos mediante detectores de superficie. (Tesis Doctoral. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales.). Recuperado de http://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n5927_Pieroni

Resumen:

Esta Tesis estudia la medición de neutrinos cósmicos ultra energéticos mediantedetectores de superficie. Básicamente existen dos mecanismos a través de los cualeslos neutrinos en el rango del EeV pueden inducir señales distinguibles a nivel desuperficie. El primero consiste en la interacción de un neutrino en la atmósfera,via corrientes cargadas o neutras, y la subsiguiente producción de una cascadaatmosférica extendida descendente. El segundo se basa en la interacción de unneutrino tau en la corteza terrestre al atravesarla de manera rasante. Este procesoda lugar a un leptón tau capaz de escapar hacia la atmósfera e iniciar en sudecaimiento una lluvia extendida ascendente de alto ángulo. En ambos casos,cuando la cascada se inicia cerca del detector, existen características en la señalproducida, relacionadas con la presencia de componente electromagnética en lalluvia, que permiten discriminar este tipo de eventos del fondo dominante debidoa rayos cósmicos de origen hadrónico. Este trabajo se divide en dos partes, que abordan dos tecnologías diferentespara estudiar las lluvias atmosféricas producidas por neutrinos. La primera partetrata la búsqueda de neutrinos basada en la interacción de las partículas de lalluvia con el Detector de Superficie del Observatorio Pierre Auger. En particular sedescribe el procedimiento de identificación, las posibles fuentes de fondo, el métododesarrollado para calcular la exposición y sus incertezas sistemáticas asociadas enla búsqueda. Asimismo, se presenta por primera vez la integración de los distintosanálisis complementarios desarrollados en Auger, que incluyen dos criterios dereconocimiento de neutrinos descendentes y uno de neutrinos rasantes, en un únicoresultado, así como la inclusión del envejecimiento del detector en el cálculo de laexposición. Ningún candidato a neutrino fue encontrado en los datos adquiridosentre el 1 de enero de 2004 y el 20 de junio de 2013. Suponiendo un flujo diferencial típico ϕ(Ev) = k * Ev^-2 y una relación entre sabores de 1 : 1 : 1, se fijó un límitesobre el flujo de neutrinos de cada sabor, de k < 6,4*10^9 GeV cm^2 s^-1 sr^-1con un nivel de confianza del 90% en el rango de 1,0*10^17 eV - 2,5*10^19 eV, elmás estricto hasta la fecha. En la segunda parte de este trabajo se estudia el potencial de la detecciónde las ondas de radio producidas por lluvias atmosféricas para identificar aquellasproducidas por neutrinos, y se investigan las capacidades y limitaciones de unarreglo de antenas de radio a la hora de detectar neutrinos ultra energéticos rasantes. Para ello se utilizaron simulaciones que incluyen la interacción del neutrino en la Tierra, el decaimiento del leptón tau en la atmósfera, el subsiguiente desarrollode la lluvia atmosférica extendida con producción de radiación electromagnéticaen frecuencias de radio, y la generación de la señal en las antenas del detector. Apartir de estas simulaciones se desarrollaron algoritmos de reconstrucción e identificación que permiten distinguir eventos iniciados por neutrinos de los generadospor el fondo de lluvias hadrónicas. Se utilizaron estos criterios para calcular laexposición que podrían alcanzar detectores de diferentes tamaños y topologías,concluyendo que la técnica puede ser competitiva para la siguiente generación dedetectores de neutrinos.

Abstract:

This Thesis studies the measurement of ultra energetic cosmic neutrino bymeans of surface detectors. There are basically two mechanisms by which neutrinosin the EeV range may induce surface level distinguishable signals. The first oneconsists in the interaction of a neutrino in the atmosphere, either through chargedor neutral currents, and the subsequent production of a down-going extended airshower. The second one is based on the interaction of an earth skimming tauneutrino in the earth crust. This process gives rise to a tau lepton that can escapeinto the atmosphere and start in its decay a high angle extended air shower. Inboth cases, when the shower starts near the detector, characteristics related tothe presence of an electromagnetic component allow to discriminate this kind ofevents from the dominant hadronic cosmic ray background. This work is divided in two parts, which address two different technologies tostudy atmospheric showers induced by neutrinos. The first one deals with neutrinosearches based in the interaction of shower particles with the Surface Detector ofthe Pierre Auger Observatory. In particular a detailed description is presented ofthe identification procedure, the possible background sources, the method developedto compute the exposure and its systematic uncertanties. Additionally, theintegration of the different complementary neutrino search analyses developed in Auger is presented for the first time, which include two criteria to recognise downgoingneutrinos and one for earth-skimming neutrinos, as well as the inclusionof detector ageing in the exposure calculation. No candidate neutrinos have beenfound in the data collected from 1 January 2004 to 20 June 2013. Assuming a differential flux ϕ(Ev) = k * Ev^-2 and a flavor relation of 1 : 1 : 1, we place a 90% CL upper limit on the single flavour neutrino flux of k < 6,4*10^9 GeV cm^2 s^-1 sr^-1in the energy range from 1,0*10^17 eV - 2,5*10^19 eV, the most stringent to thisdate. The second part of this work studies the potential of the detection of the radiowaves produced by atmospheric showers to identify those induced by neutrinos,as well as the capabilities and limitations of an antenna array to detect ultra highenergy earth-skimming neutrinos. This involved simulations of the different interveningprocesses, including the neutrino interaction in the Earth, the tau leptondecay in the atmosphere, the subsequent development of the shower includingthe production of electromagnetic radiation in radio frecuencies, and the signalproduction in the detector antennas. From these simulations, reconstruction andidentification algorithms were developed that allow to distinguish events initiatedby neutrinos from the hadronic background. Finally these criteria were used tocompute the exposure achieved by detectors with different sizes and topologies,concluding that the technique can be a competitive option in the next generationof neutrinos detectors.

Citación:

---------- APA ----------

Pieroni, Pablo Emanuel. (2016). Medición del flujo de neutrinos cósmicos ultra energéticos mediante detectores de superficie. (Tesis Doctoral. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales.). Recuperado de https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n5927_Pieroni

---------- CHICAGO ----------

Pieroni, Pablo Emanuel. "Medición del flujo de neutrinos cósmicos ultra energéticos mediante detectores de superficie". Tesis Doctoral, Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, 2016.https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n5927_Pieroni

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