Μελέτη κοσμικών σωματιδίων υπερυψηλών ενεργειών

Abstract

The work described in this thesis concerns the estimation of the primary energy of an Ultra High Energy Cosmic Rays’ particle, creating an Extensive Air Shower in the atmosphere of the Earth. Firstly, the origin and propagation models for cosmic rays in this energy range are presented and the phenomenology of Extensive Air Showers is described. After a brief presentation of the current experiments in the field, two empirical methods based in Monte Carlo simulations are presented: the first method estimates the primary energy using observational data from the surface detector of the Pierre Auger Observatory. The method refers to various types of primary particles (protons, nuclei and photons). The second method is based on the Cherenkov radiation recorded by Cherenkov telescope arrays and estimates the primary energy of the shower using Cherenkov photons’ density at a given radius from the core of the shower. This method can make use of the data recorded by low energy γ-ray photons’ experiments, used for sky mapping.

Σε αυτή τη διατριβή μελετάται η Κοσμική Ακτινοβολία στην περιοχή των Υπερυψηλών Ενεργειών. Παρουσιάζονται αρχικά τα μοντέλα προέλευσης και διάδοσης των κοσμικών ακτίνων στις ενέργειες αυτές και στη συνέχεια το φαινόμενο των Εκτεταμένων Ατμοσφαιρικών Καταιγισμών που αποτελεί το βασικό μηχανισμό που επιτρέπει τη μελέτη των εξαιρετικά σπάνιων αυτών ενεργητικών σωματιδίων. Γίνεται κατόπιν αναφορά στις τεχνικές και τα πειράματα ανίχνευσής τους με επίκεντρο το Παρατηρητήριο Pierre Auger που λειτουργεί στην Αργεντινή. Βασικό αντικείμενο της μελέτης αποτελεί η εκτίμηση της ενέργειας του πρωτογενούς σωματιδίου που δημιουργεί τον καταιγισμό. Για τον σκοπό αυτό προτείνεται μια μέθοδος με εφαρμογή στο Παρατηρητήριο Auger που εκτιμά την πρωτογενή ενέργεια μέσω της πυκνότητας φορτισμένων σωματιδίων που καταγράφει ο ανιχνευτής επιφανείας και αφορά πρωτογενή σωματίδια πρωτόνια, πυρήνες διαφόρων ατομικών αριθμών και φωτόνια ακτίνων γ. Στη συνέχεια προτείνεται μια παρόμοια μεθοδολογία με γενική εφαρμογή που στηρίζεται στην ακτινοβολία Cherenkov που καταγράφεται από ατμοσφαιρικά τηλεσκόπια. Η μέθοδος αυτή μπορεί να εφαρμοστεί με δεδομένα πειραμάτων που μελετούν την κοσμική ακτινοβολία φωτονίων γ χαμηλών ενεργειών και χρησιμοποιούνται για τη χαρτογράφηση του ουρανού, όπως το πείραμα Cherenkov Telescope Array που βρίσκεται στη φάση του σχεδιασμού.