Μελέτη των κατανομών δευτερογενών σωματιδίων σε εκτεταμένους ατμοσφαιρικούς καταιγισμούς που προκαλούνται από κοσμικά σωματίδια υψηλών ενεργειών

Abstract

In the present doctoral thesis, studies have been conducted of the cascades of secondary particles generated in the atmosphere by the interaction with high energy particles of primary cosmic radiation coming from space. These cascades are characterized as «extensive atmospheric showers» because, when they reach the ground level, their development is extensive, up to a few km2, and therefore experimental arrays are required for the direct sampling of secondary particles, positrons, photons and muons. The experimental data included in the present work derives from the KASCADE international co-operation processes, while simulation data were done through the CORSIKA program and the use of the AUTH GRID. The doctoral thesis deals with the study of the spatial and energy distributions of the secondary particles of the extended atmospheric showers, depending on the energy and the type of the primary particles that cause the showers and depend on the particle input angle. It is also studied, through simulations, the generation of Cherenkov light in the atmosphere during the development of extensive atmospheric showers. A large part of the doctoral thesis has to do with the density of the lateral distribution of electrons and muons in the atmospheric showers. Initially is presented, the theoretical study of the particle lateral distribution model, and in particular the NKG model proposed by Nishimura-Kamata-Greisen. Then, on the basis of experimental data and simulation data, an improvement is proposed for the NKG theoretical model. This improvement has to do with the parameterization of the equations so that they are better fitted to the data. In this way we can show a method that correlates the model parameters with the mass of primary cosmic particles.

Στην παρούσα διατριβή έγινε μελέτη των καταιγισμών των δευτερογενών σωματιδίων που δημιουργούνται στην ατμόσφαιρα, από την αλληλεπίδραση με αυτήν, υψηλής ενέργειας σωματιδίων της πρωτογενούς κοσμικής ακτινοβολίας, που καταφθάνει από το διάστημα. Οι καταιγισμοί αυτοί χαρακτηρίζονται ως «εκτεταμένοι ατμοσφαιρικοί καταιγισμοί» επειδή όταν φθάνουν στο επίπεδο του εδάφους, το μέτωπο ανάπτυξής τους έχει μεγάλη έκταση, έως και μερικά km2, και συνεπώς απαιτούνται πειραματικές διατάξεις με συστοιχίες ανιχνευτών για την κατευθείαν δειγματοληπτική καταγραφή των δευτερογενών σωματιδίων, κυρίως ηλεκτρονίων, ποζιτρονίων, φωτονίων και μιονίων. Τα πειραματικά δεδομένα που έχουν περιληφθεί στην παρούσα εργασία προέρχονται από το πείραμα διεθνούς συνεργασίας KASCADE, ενώ τα δεδομένα προσομοίωσης των καταιγισμών έγιναν μέσω του προγράμματος CORSIKA και τη χρησιμοποίηση του κόμβου GRID του ΑΠΘ. Η διατριβή αφορά στη μελέτη των χωρικών και ενεργειακών κατανομών των δευτερογενών σωματιδίων των εκτεταμένων ατμοσφαιρικών καταιγισμών, στην εξάρτησή τους από την ενέργεια και το είδος των πρωτογενών σωματιδίων που τους προκαλούν και στην εξάρτησή τους από τη γωνία εισόδου των σωματιδίων. Μελετάται επίσης, μέσω προσομοιώσεων, η παραγωγή φωτός Cherenkov στην ατμόσφαιρα κατά την ανάπτυξη των εκτεταμένων ατμοσφαιρικών καταιγισμών. Ένα μεγάλο τμήμα της διατριβής έχει να κάνει με την πυκνότητα της πλευρικής κατανομής των ηλεκτρονίων και μιονίων στους ατμοσφαιρικούς καταιγισμούς. Αρχικά παρουσιάζεται η θεωρητική μελέτη της μοντελοποίησης των πλευρικών κατανομών των σωματιδίων, και ειδικότερα του μοντέλου NKG που πρότειναν οι Nishimura-Kamata-Greisen. Στη συνέχεια με βάση τα πειραματικά δεδομένα και τα δεδομένα των προσομοιώσεων, προτείνεται μια βελτίωση του θεωρητικού μοντέλου NKG. Η βελτίωση αυτή έχει να κάνει με την παραμετροποίηση των εξισώσεων έτσι ώστε να προσαρμόζονται καλύτερα στα δεδομένα. Με τον τρόπο αυτό μπορούμε να δείξουμε μια μέθοδο η οποία συσχετίζει τις παραμέτρους του μοντέλου με την ενέργεια και τη μάζα των πρωτογενών κοσμικών σωματιδίων.