universitatea din bucureȘti facultatea de …doctorat.fizica.unibuc.ro/doctorat/rezumate/rezumat...
Post on 25-Dec-2019
1 Views
Preview:
TRANSCRIPT
UNIVERSITATEA DIN BUCUREȘTI
Facultatea de Fizica
Școala Doctorală de Fizică
Teză de Doctorat – REZUMAT
_____________________________________________
Studii asupra îmbunătățirii
reconstrucției cascadelor atmosferice
extinse
Alexandru Gherghel-Lascu
Conducator Științific:
Prof. Dr. Octavian Sima
București 2019
2
3
TABLE OF CONTENTS Introducere .............................................................................. 4
Obiective ............................................................................. 4
Scurta istorie ....................................................................... 5
Experimentul KASCADE-Grande .......................................... 9
Reconstructia cascadelor atmosferice extinse ....................... 11
Codul de simulare CORSIKA ........................................... 11
Densitatea laterala de particule obtinuta pe baza modelului
QGSJet-II.04 ..................................................................... 11
Densitatea laterala de particule obtinuta pe baza modelului
EPOS-LHC ....................................................................... 16
Simularea Geant4 a detectorilor Grande ........................... 19
Functia de corectie laterala standard folosita in
experimentul KASCADE-Grande..................................... 20
Calculul noilor functii de corectie laterala ........................ 21
Reconstructia datelor din experimental KASCADE-Grande
folosind o metoda alternativa ................................................ 25
Reconstructia energiei particulei primare ......................... 28
Reconstrucția masei particulei primare ............................. 32
Concluzii ............................................................................... 35
Bibliografie ........................................................................... 37
Lista articole publicate .......................................................... 38
Participari la conferinte internationale .................................. 44
4
INTRODUCERE
OBIECTIVE
Originea radiațiilor cosmice de energii înalte, mecaniscmul de
accelerare și propagare al acestora cât și interacția acestora de
la sursă până la Pământ sunt subiecte de cercetare fascinante și
de mare interes în momentul de față. Astfel de subiecte fac
parte de mult timp din activitatea grupului nostru din IFIN-HH.
De exemplu, au fost efectuate studii experimentale asupra
raportului de sarcină al miuonilor și am participat ca membrii
în experimente prestigioase (KASCADE-Grande Experiment,
Pierre Auger Observatory etc.) în cadrul cărora au fost
dezvoltate metode noi de reconstrucție a cascadelor
atmosferice extinse. Lucrarea de față are ca scop continuarea și
extinderea activităților grupului din IFIN-HH dedicate
studiului radiațiilor cosmice de energii înalte. Obiectivele
principale ale tezei sunt următoarele:
1. Studiul densității laterale a particulelor încărcate din
cascadele atmosferice extinse simulate cu programul
CORSIKA, folosind noile modele de interacție hadronica
QGSJet-II.04 și EPOS-LHC. Se urmărește în special
verificarea posibilității de a folosi densitatea laterală a
particulelor încărcare la o anumită distanță de centrul cascadei
pentu estimarea energiei particulei primare, indiferent de masa
acesteia.
2. Obținerea unei descriei mai realiste a funcțiilor de
corecție laterală folosite la determinarea densității de particule
pe baza datelor experimentale (energia depusă de particulele
secundare din cascadă în detectori). În calculul noilor funcții de
5
corecție laterală se va folosi un model geometric realist al
detectorilor, înlocuind modelul simplificat folosit până acum și
va fi folosit codul de simulare Geant4, față de studiile
anterioare unde s-a folosit GEANT3.
3. Calibrarea energetică a densității de particule la
distanța de 500 m de la centrul cascadei, observabila S(500), pe
baza noilor simulări.
4. Evaluarea spectrului energetic al radiațiilor cosmice
pentru un set de date restrâns măsurate în cadrul experimentului
KASCADE-Grande folosind noile calibrări energetice și noile
funcții de corecție laterală.
5. Compararea rezultatelor cu rezultate obținute anterior
prin alte metode pentru a determina dacă este justificată o
reanalizare completă a datelor achiziționate de experimentul
KASCADE-Grande
SCURTĂ ISTORIE
Având o istorie de puțin peste 100 de ani, studiul radiației
cosmice a condus la numeroase inovații și descoperiri. Dintre
acestea, mentionăm descoperirea pozitonului [1] de către C. D.
Anderson în 1932 în timp ce studia traiectoriile particulelor
provenite din radiația cosmică lăsate într-o cameră cu ceață. Tot
Anderson a descoperit și miuonul [2] printr-o metodă similară
în 1936. Pionul a fost descoperit de D. H. Perkins în 1947 [3].
Prima mențiune a posibilității existenței unui tip de radiație
care să provină din spațiul cosmic a fost făcute de C. T. R.
6
Wilson în anul 1900 în timp ce studia rata de ionizare a aerului
în prezența unor surse radioactive folosind un electroscop.
Acesta a observat că chiar și fără o sursă de radiație în
apropiere, moleculele din aer sunt ionizate de către o radiație
necunoscută.
În anii următori Frank Linke, de profesie metoerolog și geolog
a efectuat măsurători ale ratei de ionizare a aerului, în timpul
unor zboruri cu balonul până la altitudinea de 5500 m. Acesta
a măsurat o creștere a ratei de ionizare cu un factor de 4 față de
măsuratorile efectuate la sol. În 1903 și-a publicat rezultatele
dar acestea nu au fost recunoscute.
Theodor Wulf a lucrat la îmbunătățirea preciziei
electroscopului și a efectuat o serie de măsurători în vârful
turnului Eiffel în perioada 1908-1911. Acesta a comparat
calculele care presupun că scoarța terestră ar fi sursa radiației
ionizante cu rezultatele măsurătorilor sale și a ajuns la
concluzia că radioactivitatea aerului are o contribuție esențială
asupra măsurătorilor sale.
În 1911 C. R. Thompson a demonstrat că radiația alpha și beta
pot fi vizualitate folosind o cameră cu ceață. Pe plăcile
fotografice publicate se pot observa și traiectorii drepte,
produse de miuonii din radiația cosmică secundară, dar pe care
acesta le-a interpretat greșit la momentul respectiv ca fiind
produse de electroni.
În perioada 1911-1912 Victor Hess a dezvoltat o metodă mai
bună de calibrare a electroscopului folosind mai multe surse de
activități diferite. După ce a efectuat masuratori în șapte zboruri
cu balonul, având la bord 3 electroscoape și atingând
altitudinea de 5350 m, acesta a demonstrat că radiația
penetrantă de energie înaltă care produce ionizarea provine din
7
spațiul cosmic. În plus, Hess a eliminat soarele ca sursă de
radiație efectuând măsurători noaptea, care au produs rezultate
similare cu cele efectuate ziua. Rezultatele publicate de Victor
Hess sunt considerate descoperirea radiariei cosmice.
În 1938, Pierre Auger și colegii săi, Maze și Robley au detectat
semnale în coincidență folosind două contoare Geiger-Muller
situate la diferite distanțe unul de celălalt. Aceștia au putut să
măsoare rata de coincidență până la o distanță de 300 m,
corespunzând cu detecția unei cascade atmosferice extinse cu
energia de aproximativ 1015eV.
Pentru mult timp s-a crezut că spectrul energetic al radiației
cosmice suferă o atenuare exponențială cu un indice spectral γ
≈ 2.7.
𝑑𝑁
𝑑𝐸≈ 𝐸−𝛾
Fluxul radiației cosmice scade de la câteva sute de particule pe
metrul pătrat pentru particule ce energia E0≈109 eV la o
particlua pe metrul partat pe an pentru E0≈1015 eV, făcând
aproape imposibilă detecția acestora prin măsurători directe.
Studiul radiațiilor cosmice cu energii așa de mari se face prin
observarea interacției lor cu atmosfera Pământului. În acest caz
sunt folosite rețele cât mai mari de detectori care să înregistreze
date despre particulele secundare din cascadele atmosferice
extinse care ajung la nivelul solului.
Dezvoltatea cascadei atmosferice extinse estre reprezentată în
Fig.1. Putem observa că după interacția particulei primare cu
un nucleu din atmosferă se evidențiază cele trei componente
8
principale ale cascadei: componenta hadronica, cea miuonica și
cea electromagnetică.
Fig. 1. Reprezentare a dezvoltării cascadelor atmosferice
extinse
9
EXPERIMENTUL KASCADE-
GRANDE KASCADE-Grande [4] este o rețea de detecție a cascadelor
armosferice extinse găzduită de Karlsruhe Institute for
Technology (KIT), Germania (49o N, 8o E) situată la 110 m
deasupra nivelului mării. Rețeaua de detectori are o formă
rectangulară cu laturile de aproximativ 700 m. Aceasta s-a
dezvoltat ca o extensie a experimentului KASCADE, rețea care
avea 200 x 200 m2 și putea detecta cascade atmosferice cu
energii în intervalul 1014-1016 eV.
Fig. 2 Reprezentare schematică a experimentului
KASCADE-Grande
Stațiile de detecție din rețeaua KASCADE au posibilitatea să
măsoare separat componenta electromagnetică și cea miuonica,
prin folosirea în coincidență a două straturi de detectori separați
de un strat de material absorbant. Rețeaua de detectori Grande
a fost adăugată pentru extinderea domeniului energetic al
10
radiațiilor cosmice ce pot fi detectate până la 1018 eV.
Detectorii din rețeaua Grande sunt alcătuiți din 16 module de
detecție, fiecare conținând un scintilator plastic cu
dimensiunile 80 x 80 x 4 cm3 și un fotomultiplicator, alcătuind
o suprafață de detecție de aproximativ 10 m2. Deoarece în
construcția stațiilor Grande a fost folosit un singur strat de
scintilatori, semnalele provenite de la toate particulele
secundare din cascadele atmosferice sunt înregistrate
împreună, fără posibilitatea de a deosebi tipul particulei care l-
a produs.
11
RECONSTRUCȚIA CASCADELOR
ATMOSFERICE EXTINSE
CODUL DE SIMULARE CORSIKA Pentru simularea interacției dintre radiația cosmică primară și
atmosfera Pământului s-a folosit programul de simulare Monte
Carlo „CORSIKA” [5] (Cosmic Ray SImulations for
KAscade). Acesta permite utilizatorului selectarea tipului,
energiei și unghiurilor de incidență ale particulelor primare
pentru a calcula distribuția de particule secundare la nivelul
solului. Deasemenea, utilizatorul poate selecta și modelul de
interacție folosit pentru energii înalte, joase și interacții
electromagnetice.
În acest studiu au fost folosite 180 de cascade atmosferice
simulate folosind CORSIKA având ca particule primare
protoni și 180 de cascade induse de nuclee de fier. Energia
particulelor primare a fost distribuită în intervalul
E0∈(1016.5,1018.5) eV și unghiul de incidență θ∈(18o,24o).
Pentru fiecare tip de particulă primară au fost efectuate 2 seturi
de simulări, unul folosind modelul de interacție QGSJet-II.04
și unul folosind EPOS-LHC. Au fost calculate densitățile la
nivelul solului de electroni, fotoni și miuoni pentru fiecare tip
de particulă incidentă.
DENSITATEA LATERALĂ DE PARTICULE
OBȚINUTĂ PE BAZA MODELULUI QGSJET-
II.04 Densitatea laterală de particule este una din cele mai importante
observabile care stau la baza calculului energiei și masei
12
particulei primare. Deoarece particulele secundare din
cascadele atmosferice sunt distribuite pe suprafețe foarte mari
(de ordinul kilometrilor pătrați pentru energii de ordinul 1018
ev), este fizic imposibil ca toată suprafața să fie acoperită de
detectori care să măsoare foarte precis densitatea acestor
particule. În practică, această densitate este determinată prin
extrapolarea datelor furnizate de un număr limitat de detectori.
În studii anterioare [6], densitatea laterală de particule încărcate
(e± și µ±) la nivelul solului a fost folosită pentru determinarea
energiei și masei particlulei primare. În particular, s-a observat
că densitatea de particule încărcate la 500 m de centrul
cascadei, observabila S(500), are aceași valoare pentru cascade
induse de protoni sau nuclee de fier, cu aceași energie. Din
această cauză, variația S(500) cu eneriga particulei primare
poate fi folosită pentru calcului energiei particulei primare
indiferent de masa acesteia. În plus, densitatea de particule la
100 m de centrul cascadei, observabila S(100), pote fi folosită
pentru identificarea masei particulei primare folosind diferența
dintre densitățile de particule pentru cascadele induse de
protoni și nuclee de fier.
Fig. 3 Densitatea de particule încărcate pentru cascade induse
de Fe (rosu) si protoni (albastru) pentru modelul QGSJet-
II.04
13
În lucrarea de față, pentru o mai bună înțelegere a evoluției
densității de particule încărcate odată cu creșterea energiei
particulei primare, setul de date simulate folosind CORSIKA
descris anterior a fost împărțit în 4 domenii energetice.
Densitatea laterală de particule încărcate (electroni și miuoni)
este reprezentată în funcție de energia particulei primare în Fig.
3. Se poate observa că densitatea de particule pentru cascade
induse pe protoni sau nuclee de fier are aceași valoare în jurul
distanței de 500 m de la centrul cascadei, fără ca această
distanță să varieze sistematic odată cu creșterea energiei
particulei primare.
Fig. 4 Densitatea de electroni pentru cascade induse de Fe
(rosu) si protoni (albastru) pentru modelul QGSJet-II.04
În Fig. 4, Fig. 5 și Fig. 6 sunt reprezentate densitățile laterale
ale electronilor, miuonilor respectiv fotonilor. În cazul
electronilor și miuonilor, densitățile reprezentate au fost
calculate fără a diferenția între particule și antiparticule,
considerându-le echivalente. A fost aleasă această metodă de
reprezentare deoarece majoritatea particulelor secundare
încărcate din cascadele atmosferice extinse au energia destul de
14
mare astfel încât să interactioneaze cu detectorii într-un mod
minim ionizant.
Fig. 5 Densitatea de miuoni pentru cascade induse de Fe
(rosu) și protoni (albastru) pentru modelul QGSJet-II.04
Fig. 6 Densitatea de fotoni pentru cascade induse de Fe (rosu)
și protoni (albastru) pentru modelul QGSJet-II.04
15
Din datele provenite de la detectorii din rețeaua Grande nu este
posibil să determinăm tipul particulei secundare care a produs
semnalul în detector, doar energia totală depusă este furnizată.
Deoarece metoda de reconstrucție descrisă în lucrarea de față
este bazată pe densitatea laterală de particule încărcate, raportul
dintre numărul de particule încărcate și numărul fotonilor va
afecta transformarea energiei totale (măsurată în cazul
experimental) depusă în detectori în densitate de particule
încărcate. Putem observa ca în cazul cascadelor induse de fier
acest raport este mai mare decât în cazul cascadelor induse de
protoni (Fig. 7), natură primei interacții depinzând de masa
particulei primare care interacționează cu atmosfera.
Fig. 7 Raportul dintre densitatea de particule încărcate și cea
de fotoni pentru cascade induse de Fe (rosu) si protoni
(albastru) pentru modelul QGSJet-II.04
16
DENSITATEA LATERALĂ DE PARTICULE
OBȚINUTĂ PE BAZA MODELULUI EPOS-
LHC Pentru a determina dacă modelul de interacție hadronica folosit
în simulări influențează semnificativ rezultatele obținute, a fost
efectuat și un set de simulări folosind modelul EPOS-LHC,
identic ca statistică cu cazul modelului QGSJet-II.04.
Densitatea laterală a particulelor încărcate obținută din
medierea datelor din simulările în care a fost folosit modelul
EPOS-LHC este reprezentată în Fig. 8. Datele au fost divizate
în funcție de energia particulei primare în 4 domenii energetice.
Putem observa că densitățile de particule încărcate pentru
cascadele induse de protoni și fier se intersectează în jurul
valorii de 500 m de la centrul cascadei. La fel ca în cazul
simulărilor în care a fost folosit modelul QGSJet-II.04, nu este
evidentă nicio tendința de variație a acestei distanțe în raport cu
energia particulei primare. Deoarece simulările CORSIKA
pentru cascade atmosferice induse de particule cu energii înalte
necesită un timp îndelungat de calcul, cât și un spațiu de stocare
mare, setul de simulări efectuat pentru prezentul strudiu suferă
din pricina incertitudinilor statistice, care sunt probabil la baza
variației distanței la care densitățile de particule pentru cele
două tipuri de particule primare se intersectează. Pentru
modelul EPOS-LHC se poate observa că densitatea laterală de
particule încărcate are aceași valoare pentru cascadele induse
de protoni și fier în jurul distanței de 500 m de la centrul
cascadei (Fig. 8). Rezultatele analizei densității laterale pentru
electroni, miuoni, fotoni și raportul dintre particulele încărcate
și fotoni sunt identice, în limita incertitudinilor statistice, cu
cele calculate folosind modelul QGSJet-II.04, și sunt ilustrate,
în ordine, în Fig. 9, Fig. 10, Fig. 11 și Fig. 12.
17
Fig. 8 Densitatea de particule incarcate pentru cascade induse
de Fe (rosu) si protoni (albastru) pentru modelul EPOS-LHC
Fig. 9 Densitatea de electroni pentru cascade induse de Fe
(rosu) si protoni (albastru) pentru modelul EPOS-LHC
18
Fig. 10 Densitatea de miuoni pentru cascade induse de Fe
(rosu) si protoni (albastru) pentru modelul EPOS-LHC
Fig. 11 Densitatea de Fotoni pentru cascade induse de Fe
(rosu) si protoni (albastru) pentru modelul EPOS-LHC
19
Fig. 12 Raportul dintre densitatea de particule incarcate si cea
de fotoni pentru cascade induse de Fe (rosu) si protoni
(albastru) pentru modelul EPOS-LHC
SIMULAREA GEANT4 A DETECTORILOR
GRANDE Pentru a obține o descriere cât mai realistă a raspunului
detectorilor din rețeaua Grande din experimentul KASCADE-
Grande, a fost implementat în programul de simulare Geant4
[45] un model corect din punct de vedere geometric, care
cuprinde toate elementele mecanice și sensibile la radiații ale
stației de detecție. Față de studiile anterioare, acesta conține și
toate elementele care pot avea un rol pasiv în răspunsul
detectorului, cum ar fi suportul metalic pe care sunt amplasate
modulele de detecție, pereții și acoperișul stației construiți din
tablă ondulată și elementele de susținere ale acestora. Au fost
efectuate studii și asupra influenței adăugării în simulări a unui
strat de pământ sub stație, care ar facilita producerea de
particule secundare care prin retroimprastiere pot produce un
20
semnal în detectori. Adăugarea solului în simulări a produs o
crește insignifiantă a energiei depuse în detectori dar a mărit
semnificativ timpul necesar efectuării simulărilor, fapt care a
dus la eliminarea acestuia din calculul final. O secțiune a
modelului stației de detecție Grande folosită în simulările
Geant4 este ilustrată în Fig. 13.
Fig. 13 Sectiune a modelului statiei de detectie Grande
folosita in simularile Geant4
FUNCTIA DE CORECTIE LATERALĂ
STANDARD FOLOSITĂ ÎN EXPERIMENTUL
KASCADE-GRANDE Pentru deternimarea numărului de particule care au produs
depunerea unei energii în detectorii Grande, a fost calculată o
funcție de corecție laterală. Aceasta are la bază calcule analitice
ale energiei depuse în detectori de către particulele secundare
din cascadele atmosferice cât și contribuția fotonilor la această
energie.
21
Inițial, în analiza datelor de la KASCADE-Grande, rețeaua
KASCADE era responsabilă să ofere informații despre
densitatea miuonilor și a particulelor încărcate, care puteau fi
măsurate independent prin intermediul detectorilor suprapusi
din stațiile KASCADE. Aceste densități urmau a fi extrapolate
de la dimensiunea rețelei KASCADE la cea a rețelei Grande.
Funcția de corecție laterală folosită standard [4] este ilustrată în
Fig. 14. Energia particulei primare este calculată folosind
numărul toal de particule încărcate și numărul de miuoni.
Fig. 14 Functia de corectie laterala standard folosita la
KASCADE-Grande
CALCULUL NOILOR FUNCTII DE
CORECTIE LATERALA Pentru transformarea cât mai exactă a semnalului detectorilor
Grande în densitatea de particule încărcate este necesară o
funcție de corecție laterală calculată cât mai exact, care să
cuprindă și efectele de asimetrie azimutala și atenuarea
particulelor secundare. Pentru această a fost folosită o formă
22
bidimensională a funcției de corecție laterală, cu bini radiali de
10 m și bini unghiulari de 15o.
O prima metodă de calcul a funcțiilor de corecție laterală
implementata a constat în calculul energiei depuse de toate
particulele secundare (din simulările CORSIKA) în o rețea
artificială de detectori Grande (simulată folosind modelul
detectorilor implementat în Geant4) care acoperă o suprafața
de 1600 x 1600 m2, cu distanță de 10 m între detectori. Energia
depusă în fiecare detector a fost împărțită la densitatea de
particule încărcate corespunzătoare fiecărui detector. S-a
observat că folosind acest mod de calcul, atât pentru cascadele
induse de fier (Fig.15) cât și pentru cele induse de protoni
(Fig.16) există o dependența a funcțiilor de corecție laterală cu
energia particulei primare, făcând aceste funcții greu de utilizat
în cazul datelor experimentale.
Fig. 15 Functii de corectie laterala pentru cascade induse de
fier, obtinute folosind QGSJet-II.04
23
Fig. 16 Functii de corectie laterala pentru cascade induse de
protoni, obtinute folosind QGSJET-II.04
Drept urmare, s-a continuat cu calculul unor funcții de corecție
laterală obținute din împărțirea energiei depuse în fiecare
detector Grande din procedura descrisă anterior la numărul de
particule încărcate care au contribuit la energia depusă în
detector. Acest mod de calcul corespunde și cu cazul
experimental, în care particulele care nu produc un semnal în
detector nu sunt detectate. Variația cu energia particulei
primare a acestor noi funcții de corecție laterală s-a dovedit
neglijabilă. Proiecția acestora este reprezentată în Fig. 17
pentru cascade induse de protoni și fier simulate folosind
QGSJet-II.04 și o comparație a funcțiilor medii pentru cele
două modele de interacție folosite în simulări este ilustrată în
Fig. 18. Putem observa că cele două modele de interacție prezic
funcții de corecție laterală cu valori foarte apropiate.
24
Fig. 17 Funcții de corecție laterală medii pentu cascade induse
de protoni (albastru) și fier (rosu) pentru modelul QGSJet-
II.04
Fig. 18 Funcții de corecție laterală medii pe baza modelelor
QGSJet-II.04 si EPOS-LHC
25
RECONSTRUCȚIA DATELOR DIN
EXPERIMENTUL KASCADE-GRANDE
FOLOSIND O METODĂ ALTERNATIVĂ
În reconstrucția cascadelor atmosferice extinse este nevoie să
se ajungă de la o mărime măsurată experimental (în cazul de
față energia depusă în detectori) la o observabilă care poate fi
corelată cu caracteristicile particulei primare care a indus
cascada. În lucrarea de față observabila care va fi corelată cu
caracteristicile particulei primare este densitatea de particule
încărcate, iar trecerea de la datele experimentale la aceasta se
face prin folosirea funcțiilor de corecție laterală descrise
anterior.
Metoda de reconstrucție folosită este reprezentată schematic în
Fig. 19. Particulele secundare din simulările CORSIKA sunt
propagate prin un model Geant4 al stației de detecție Grande.
Sunt folosite două rețele de detectori, prima care conține 25600
detectori și este folosită la calculul funcțiilor de corecție
laterală și o rețea cu 37 de detectori, identică cu cea din
experimentul KACSADE-Grande, folosită pentru calibrarea și
testarea procedurii.
Energia depusă în detectorii Grande este transformată în
densitate de particule încărcate atât pentru evenimentele
simulate cât și pentru cele experimentale. Densitatea de
particule este apoi folosită pentru caracterizarea particulei
primare. Pentru evenimentele experimentale, energia depusă în
detectori este transformată în densitate de particule apoi fitată
cu o funcție Linsley automat folosind programul SHOWREC
[9], folosind o funcție de corecție laterală aleasă de utilizator.
26
Fig. 19 Reprezentare a metodei de reconstructie si calibrare
Pentru a verifica metoda de reconstrucție și identifica eventuale
erori care pot apărea din folosirea mai multor pachete software
adaptate pentru scopul de față, mai multe cascade simulate au
fost trecute de 100 de ori prin rețeaua Grande simulată și a fost
reconstruită densitatea de particule medie. Aceasta a fost
comparată cu densitatea de particule din simularea inițială.
Rezultatele comparațiilor sunt ilustrate în Fig. 20 și Fig. 21
pentru cascade inițiate de nuclee de fier respectiv protoni.
Putem observa că densitatea de particule simulată și cea
reconstruită au aceeași valoare, în limita incertitudinilor
statistice, ceea ce conduce la concluzia că metoda
reconstruiește corect datele simulate.
27
Fig. 20 Comparatie intre densitatea de particule simulata
(CORSIKA) si densitatea de particule reconstruita pentru o
cascada induse de fier (folosind QGSJet-II.04)
Fig. 21 Comparatie intre desitatea de particule simulata
(CORSIKA) si densitatea de particule reconstruita pentru o
cascada indusa de un proton (folosind QGSJet-II.04)
28
RECONSTRUCȚIA ENERGIEI PARTICULEI
PRIMARE
După compararea densităților de particule încărcate mediate, la
distanțele de 400 m, 500 m și 600 m de centrul cascadei,
obținute în urma simulărilor CORSIKA, având ca particule
primare nuclee de fier, carbon și protoni, folosind atât modelul
de interacție QGSJet-II.04 cât și EPOS-LHC s-a constatat că
densitatea particulelor încărcate la 500 m de centrul cascadei
nu depinde de masa particulei primare, putând să fie folosită că
estimator al energiei acesteia.
Au fost construite curbele de calibrare energetică pentru
cascade induse de protoni și fier, folosind cele două modele de
interacție folosite (Fig. 22 și Fig.23).
Fig. 22 Curba de calibrare energetica pentru modelul de
interacte QGSJet-II.04
29
Fig. 23 Curba de calibrare energetica pentru modelul de
interacte EPOS-LHC
După parametrizarea curbelor de calibrare pentru cele două
modele s-a continuat cu reconstrucția unui set de date
experimentale achiziționate de rețeaua Grande. S-au folosit mai
multe funcții de corecție laterală pentru fiecare model de
interacție. Au fost calculate funcții de corecție laterală pentru
mai multe ipoteze, presupunând o variație a abundențelor
protonului și fierului în fluxul radiației cosmice. S-a efectuat
reconstrucția setului de date folosind funcții de corecție
calculate pentru un flux 50% protoni – 50% fier, 100% protoni
și 80% protoni – 20% fier.
Deoarece densitățile de particule experimentale reconstruite
folosind funcțiile de corecție laterală 80% protoni – 20% fier s-
au încadrat cel mai bine între densitățile de particule simulate
pentru cele două tipuri de particule primare, s-a continuat cu
reconstrucția spectrului energetic integral în funcție de S(500)
[10].
Au fost selectate doar evenimentele cu unghiuri de incidență
între 18.8o și 23.1o care au fost comparate cu datele publicate
30
în [6]. Rezultatele comparării seturilor de date pentru cele două
modele de interacție sunt prezentate în Fig. 24 și Fig. 25. Putem
observa că cele două seturi de date sunt în acord în limita
incertitudinilor. Deși funcțiile de corecție laterală folosite în
cele două proceduri de reconstrucție sunt diferite, valorile
reconstruite cu acestea nu diferă semnificativ pentru intervalul
unghiular studiat.
Deoarece procedura de calcul a unor funcții de corecție laterală
pentru alte intervale ale unghiului de incidență al particulei
primare necesită reluarea întregii proceduri, de la simulările
CORSIKA la propagarea particulelor prin modelul din Geant4
al detectorilor, urmată de reconstrucția folosind SHOWREC și
calibrarea energetică a observabilei S(500), considerăm că
această reanalizare a datelor experimentale nu se justifica. Din
moment ce rezultatele obținute pentru un interval al unghiului
de incidență al particulei primare s-au dovedit a fi în acord cu
analiza precedentă, se asteapta ca acest lucru sa fie valabil pe
intregul domeniu unghiular de acceptanta al experimentului.
31
Fig. 24 Spectrul integral S(500) comparat cu rezultate
publicate
Fig. 25 Spectrul integral S(500) comparat cu rezultate
publicate
32
RECONSTRUCȚIA MASEI PARTICULEI
PRIMARE
Compoziția de msasa a radiațiilor cosmice de energii înalte este
în continuare un subiect intens dezbătut și studiat. Pentru a
crește precizia cu care poate fi determinată masa particulelor
primare, Observatorul Pierre Auger urmează să fie îmbunătățit
cu 1600 de detectori cu scintilație care vor fi montați deasupra
detectorilor de suprafața. Cu ajutorul acestora se dorește
măsurarea mai exactă a densității laterale a miuonilor.
În experimentul KASCADE-Grande, detectorii din rețeaua
KASCADE aveau posibilitatea să masoare separat miuonii și
componeta electromagnetică. Distribuțiile măsurate erau
extralopate pentru determinarea densității miuonilor și
particulelor încărcate pentru pozițiile detectorilor Grande, care
erau sensibili la toate tipurile de particule secundare.
Pentru a găsi o observabilă care poate fi corelată cu masa
particulei primare, densitatea de particule încărcate la 100 m,
200 m și 300 m de centrul cascadei a fost studiată pe baza
simulărilor CORSIKA, folosind cele două modele de interacție
menționate anterior. Putem observa (Fig. 26 pentu modelul
EPOS-LHC și Fig. 27 pentru modelul QGSJet-II.04) că
diferența dintre densități crește cu cât ne apropiem mai mult de
centrul cascadei.
Din această cauză, densitatea de particule încărcate la 100 m și
200 m de centrul cascadei (observabilele S(100) și S(200)) au
fost folosite pentru diferențierea între cascadele inițiate de
protoni și cele inițiate de fier.
33
Fig. 26 Densitatea particulelor incarcate la 100 m, 200 m si
300 m de la centrul cascadei pentu cascade initiate de fier,
carbon si protoni calculate folosind modelul EPOS-LHC [9]
Fig. 27 Densitatea particulelor incarcate la 100 m, 200 m si
300 m de la centrul cascadei pentu cascade initiate de fier,
carbon si protoni calculate folosind modelul QGSJet-II.04 [9]
Setul de date experimentale care a fost folosit la reconstrucția
energiei particulei primare anterior a fost analizat pentru
reconstrucția observabilelor S(100) și S(200). A fost folosită o
funcție de corecție laterală obținută prin medierea funcțiilor
pentru protoni și fier. Pentru estimarea energiei particulelor
34
primare a fost folosită observabila S(500), care este
proporțională cu energia particulei primare.
Putem observa că datele experimentale reconstruite sunt în
acord cu densitățile de particule încărcate calculate prin
intermediul simulărilor CORSIKA (Fig. 28 și Fig. 29).
Observabila S(100) s-a dovedit mai potrivită pentru estimarea
masei particulei primare.
Fig. 28 Comparatie intre S(100) pentru datele experimentale
reconstruite (markeri verzi) si S(100) calculat pe baza
simularilor CORSIKA folosind modelul QGSJet-II.04
35
Fig. 29 Comparatie intre S(200) pentru datele experimentale
reconstruite (markeri verzi) si S(200) calculat pe baza
simularilor CORSIKA folosind modelul QGSJet-II.04
CONCLUZII
Această lucrare descrie pașii necesari pentru analizarea datelor
măsurate de experimentul KASCADE-Grade folosind noile
modele de interacție QGSJet-II.04 și EPOS-LHC și ultimele
versiuni ale programului Geant4 într-o manieră care ține cont
de toate elementele senzitive și structurale care alcătuiesc
detectorii din rețeaua Grande.
Datele experimentale și simulate folosite în acest studiu au
arătat că implementarea în Geant4 a unui model realist al
detectorilor a dus la obținerea unei proceduri de reconstrucție a
casadelor atmosferice extinse care descrie corespunzător
distribuția laterală a particulelor încărcate calculate prin
intermediul simulărilor CORSIKA.
36
În procedura de reconstrucție dezvoltată a fost luată în
considerare și asimetria azimutală care apare în timpul
propagării cascadei atmosferice, prin folosirea unor funcții de
corecție laterală bidimensionale. Reconstrucția densității
laterale a particulelor încărcate s-a dovedit sensibilă la modelul
de interacție hadronica folosit, această procedura putând fi
folosită și la evaluarea calității modelelor de interacție prin
compararea predicțiilor acestora cu datele experimentale.
Observabila S(500) s-a dovedit a fi un estimator bun al
energiei particulei primare pentru ambele modele de interacție
folosite în acest studiu.
Spectrul energetic integral obținut este în acord cu rezultate
publicate anterior pentru cascade cu unghiuri de incidență în
intervalul θ ∈ (18.8o, 23.1o). Chiar dacă funcțiile de corecție
laterală folosite în cele două studii au valori diferite, densitățile
de particule încărcate reconstruite de acestea nu diferă
semnificativ.
Studiul detaliat al cascadelor cu unghiuri de incidență θ ∈
(18.8o, 23.1o) prezentat în această teză demonstrează că
rezultatele obținute folosind o funcție de corecție laterală foarte
realistă și funcția standard folosită la KASCADE-Grande sunt
în acord. Putem concluzionă că nu este justificat să investim
timp și alte resurse în extinderea studiului la acceptanța
unghiulară completă a rețelei KASCADE-Grande.
37
BIBLIOGRAFIE
[1] Carl D. Anderson. The positive electron. Phys. Rev.,
43:491–494, Mar 1933.
[2] S. H. Neddermeyer and C. D. Anderson. Note on the Nature
of Cosmic Ray Particles. Phys. Rev., 51:884–886, 1937.
[3] D. H. Perkins. NUCLEAR DISINTEGRATION BY
MESON CAPTURE. Nature, 159:126–127, 1947.
[4] W. D. Apel et al. The KASCADE-Grande experiment.
Nucl. Instrum. Meth., A620:202–216, 2010.
[5] D. Heck, J. Knapp, J. N. Capdevielle, G. Schatz, and T.
Thouw. CORSIKA: a Monte Carlo code to simulate extensive
air showers. February 1998.
[6] W. D. Apel et al - The KASCADE-Grande Collaboration.
Cosmic ray energy reconstruction from the S(500) observable
recorded in the KASCADE-Grande air shower experiment.
ASTROPARTICLE PHYSICS, 77:21–31, APR 2016.
[7] S. Agostinelli et al,Geant4-a simulation toolkit. 506:250, 07
2003.
[8] O. Sima, I.M. Brancus, H. Rebel, and A. Haungs. Showrec
- a program for reconstruction of eas observables from kascade-
grande observations. 2004. 51.04.01; LK 01;
Wissenschaftliche Berichte, FZKA-6985 (Mai 2004).
[9] Gherghel-Lascu, A. et al, KASCADE-Grande
Collaboration. Refined Lateral Energy Correction Functions
for the KASCADE-Grande Experiment Based on Geant4
Simulations. In EXOTIC NUCLEI AND NUCLEAR/
38
PARTICLE ASTROPHYSICS (V). FROM NUCLEI TO
STARS, volume 1645 of AIP Conference Proceedings, pages
332–338, 2015.
[10] W. D. Apel et al, The KASCADE-Grande Collaboration.
Cosmic ray energy reconstruction from the S(500) observable
recorded in the KASCADE-Grande air shower experiment.
ASTROPARTICLE PHYSICS, 77:21{31, APR 2016
LISTA ARTICOLE PUBLICATE
1. Apel, W.D.; Gherghel-Lascu, A. et al, “Search for Large-scale
Anisotropy in the Arrival Direction of Cosmic Rays with
KASCADE-Grande”, ASTROPHYSICAL JOURNAL
Volume: 870 Issue: 2 Article Number: 91 Published: JAN
10 2019 (a = 1.755)
2. Mitrica, B.; Gherghel-Lascu, A. et al,”Muography applications
developed by IFIN-HH”, Philosophical Transactions of the
Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering
SciencesVolume 377, Issue 2137, 10 DEC 2018 (a = 1.315)
3. Aab, A.; Gherghel-Lascu, A. et al, ”Large-scale Cosmic-Ray
Anisotropies above 4 EeV Measured by the Pierre Auger
Observatory”, ASTROPHYSICAL JOURNAL Volume: 868
Issue: 1 Article Number: 4 Published: NOV 20 2018 (a =
1.755)
4. Aab, A.; Gherghel-Lascu, A. et al, ”Observation of inclined EeV
air showers with the radio detector of the Pierre Auger
Observatory”, JOURNAL OF COSMOLOGY AND
ASTROPARTICLE PHYSICS Issue: 10 Article Number: 026
Published: OCT 2018 (a = 1.336)
39
5. Haungs, A.; Gherghel-Lascu, A. et al, “The KASCADE Cosmic-
ray Data Centre KCDC: granting open access to astroparticle
physics research data”, EUROPEAN PHYSICAL JOURNAL C
Volume: 78 Issue: 9 Article Number: 741 Published: SEP
17 2018, (a = 1.480)
6. Aab, A.; Gherghel-Lascu, A. et al, “An Indication of Anisotropy
in Arrival Directions of Ultra-high-energy Cosmic Rays through
Comparison to the Flux Pattern of Extragalactic Gamma-Ray
Sources”, ASTROPHYSICAL JOURNAL LETTERS Volume:
853 Issue: 2 Article Number: L29 Published: FEB 1 2018 (a
= 2.550)
7. Aab, A.; Gherghel-Lascu, A. et al, “Inferences on mass
composition and tests of hadronic interactions from 0.3 to 100
EeV using the water-Cherenkov detectors of the Pierre Auger
Observatory”, PHYSICAL REVIEW D Volume: 96 Issue: 12
Article Number: 122003 Published: DEC 8 2017, (a = 1.038)
8. Albert, A.; Gherghel-Lascu, A. et al, ANTARES Collaboration;
IceCube Collaboration; Pierre Auger Collaboration; LIGO Sci
Collaboration & Virgo, “Search for High-energy Neutrinos from
Binary Neutron Star Merger GW170817 with ANTARES,
IceCube, and the Pierre Auger Observatory”,
ASTROPHYSICAL JOURNAL LETTERS Volume: 850
Issue: 2 Article Number: L35 Published: DEC 1 2017 (a =
1.038)
9. Abbott, B. P.; Gherghel-Lascu, A. et al, “Multi-messenger
Observations of a Binary Neutron Star Merger”,
ASTROPHYSICAL JOURNAL LETTERS Volume: 848 Issue:
2 Article Number: L12 Published: OCT 20 2017 (a = 2.550)
10. Apel, W.D.; Gherghel-Lascu, A. et al, “KASCADE-Grande
Limits on the Isotropic Diffuse Gamma-Ray Flux between 100
TeV and 1 EeV”, ASTROPHYSICAL JOURNAL Volume: 848
Issue: 1 Article Number: 1 Published: OCT 10 2017 (a =
1.755)
40
11. Apel, W.D.; Gherghel-Lascu, A. et al, “Probing the evolution of
the EAS muon content in the atmosphere with KASCADE-
Grande”, ASTROPARTICLE PHYSICS Volume: 95 Pages:
25-43 Published: OCT 2017 (a = 1.065)
12. Aab, A.; Gherghel-Lascu, A. et al, “Spectral calibration of the
fluorescence telescopes of the Pierre Auger Observatory”
ASTROPARTICLE PHYSICS Volume: 95 Pages: 44-56
Published: OCT 2017 (a = 1.065)
13. Aab, A.; Gherghel-Lascu, A. et al, “Calibration of the
logarithmic-periodic dipole antenna (LPDA) radio stations at the
Pierre Auger Observatory using an octocopter”, JOURNAL OF
INSTRUMENTATION Volume: 12 Article Number: T10005
Published: OCT 2017 (a = 0.392)
14. Aab, A.; Gherghel-Lascu, A. et al,” Observation of a large-scale
anisotropy in the arrival directions of cosmic rays above 8 x
10(18) eV”, SCIENCE Volume: 357 Issue: 6357 Pages: 1266-
1270 Published: SEP 22 2017 (a = 19.909)
15. Aab, A.; Gherghel-Lascu, A. et al,” Multi-resolution anisotropy
studies of ultrahigh-energy cosmic rays detected at the Pierre
Auger Observatory”, JOURNAL OF COSMOLOGY AND
ASTROPARTICLE PHYSICS Issue: 6 Article Number: 026
Published: JUN 2017 (a = 1.336)
16. Aab, A.; Gherghel-Lascu, A. et al,”Search for photons with
energies above 10(18) eV using the hybrid detector of the Pierre
Auger Observatory”, JOURNAL OF COSMOLOGY AND
ASTROPARTICLE PHYSICS Issue: 4 Article Number: 009
Published: APR 2017 (a = 1.336)
17. Aab, A.; Gherghel-Lascu, A. et al, “Combined fit of spectrum
and composition data as measured by the Pierre Auger
Observatory”, JOURNAL OF COSMOLOGY AND
ASTROPARTICLE PHYSICS Issue: 4 Article Number: 038
Published: APR 2017 (a = 1.336)
41
18. Aab, A.; Gherghel-Lascu, A. et al, “A Targeted Search for Point
Sources of EeV Photons with the Pierre Auger Observatory”,
ASTROPHYSICAL JOURNAL LETTERS Volume: 837
Issue: 2 Article Number: L25 Published: MAR 10 2017 (a =
2.550)
19. Aab, A.; Gherghel-Lascu, A. et al, “Muon counting using silicon
photomultipliers in the AMIGA detector of the Pierre Auger
observatory”, JOURNAL OF INSTRUMENTATION Volume:
12 Article Number: P03002 Published: MAR 2017, (a =
0.392)
20. Aab, A.; Gherghel-Lascu, A. et al, “Impact of atmospheric
effects on the energy reconstruction of air showers observed by
the surface detectors of the Pierre Auger Observatory”,
JOURNAL OF INSTRUMENTATION Volume: 12 Article
Number: P02006 Published: FEB 2017, (a = 0.392)
21. Aab, A.; Gherghel-Lascu, A. et al, “Ultrahigh-energy neutrino
follow-up of gravitational wave events GW150914 and
GW151226 with the Pierre Auger Observatory”, PHYSICAL
REVIEW D Volume: 94 Issue: 12 Article Number: 122007
Published: DEC 30 2016 (a = 1.112)
22. Aab, A.; Gherghel-Lascu, A. et al, “Evidence for a mixed mass
composition at the 'ankle' in the cosmic-ray spectrum”,
PHYSICS LETTERS B Volume: 762 Pages: 288-295
Published: NOV 10 2016 (a = 1.553)
23. Aab, A.; Gherghel-Lascu, A. et al, “Testing Hadronic
Interactions at Ultrahigh Energies with Air Showers Measured
by the Pierre Auger Observatory”, PHYSICAL REVIEW
LETTERS Volume: 117 Issue: 19 Article Number: 192001
Published: OCT 31 2016 (a = 3.266)
24. Aab, A.; Gherghel-Lascu, A. et al, “Search for ultrarelativistic
magnetic monopoles with the Pierre Auger observatory”,
42
PHYSICAL REVIEW D Volume: 94 Issue: 8 Article
Number: 082002 Published: OCT 3 2016 (a = 1.112)
25. Aab, A.; Gherghel-Lascu, A. et al, “Energy estimation of cosmic
rays with the Engineering Radio Array of the Pierre Auger
Observatory”, PHYSICAL REVIEW D Volume: 93 Issue: 12
Article Number: 122005 Published: JUN 14 2016 (a = 1.112)
26. Aab, A.; Gherghel-Lascu, A. et al, “Measurement of the
Radiation Energy in the Radio Signal of Extensive Air Showers
as a Universal Estimator of Cosmic-Ray Energy”, PHYSICAL
REVIEW LETTERS Volume: 116 Issue: 24 Article Number:
241101 Published: JUN 14 2016 (a = 3.266)
27. Aab, A.; Gherghel-Lascu, A. et al, “Azimuthal asymmetry in the
risetime of the surface detector signals of the Pierre Auger
Observatory”, PHYSICAL REVIEW D Volume: 93 Issue: 7
Article Number: 072006 Published: APR 7 2016 (a = 1.112)
28. Apel, W.D.; Gherghel-Lascu, A. et al, “Cosmic ray energy
reconstruction from the S(500) observable recorded in the
KASCADE-Grande air shower experiment”,
ASTROPARTICLE PHYSICS Volume: 77 Pages: 21-31
Published: APR 2016 (a = 1.074)
29. Aab, A.; Gherghel-Lascu, A. et al, “Prototype muon detectors for
the AMIGA component of the Pierre Auger Observatory”,
JOURNAL OF INSTRUMENTATION Volume: 11 Article
Number: P02012 Published: FEB 2016, (a = 0.416)
30. Aab, A.; Gherghel-Lascu, A. et al, “Nanosecond-level time
synchronization of autonomous radio detector stations for
extensive air showers”, JOURNAL OF INSTRUMENTATION
Volume: 11 Article Number: P01018 Published: JAN 2016
(a = 0.416)
31. Aartsen, M. G.; Gherghel-Lascu, A. et al, “Search for
correlations between the arrival directions of IceCube neutrino
43
events and ultrahigh-energy cosmic rays detected by the Pierre
Auger Observatory and the Telescope Array”, JOURNAL OF
COSMOLOGY AND ASTROPARTICLE PHYSICS Issue: 1
Article Number: 037 Published: JAN 2016, (a = 1.361)
32. Aab, A.; Gherghel-Lascu, A. et al, “Measurement of the cosmic
ray spectrum above 4 x 10(18) eV using inclined events detected
with the Pierre Auger Observatory”, JOURNAL OF
COSMOLOGY AND ASTROPARTICLE PHYSICS Issue: 8
Article Number: 049 Published: AUG 2015 (a = 1.505)
33. Aab, A.; Gherghel-Lascu, A. et al, “Improved limit to the diffuse
flux of ultrahigh energy neutrinos from the Pierre Auger
Observatory”, PHYSICAL REVIEW D Volume: 91 Issue: 9
Article Number: 092008 Published: MAY 26 2015 (a = 1.105)
34. Apel, W.D.; Gherghel-Lascu, A. et al, “Lateral distributions of
EAS muons (E-mu >800 MeV) measured with the KASCADE-
Grande Muon Tracking Detector in the primary energy range
10(16)-10(17) eV”, ASTROPARTICLE PHYSICS Volume: 65
Pages: 55-63 Published: MAY 2015 (a = 1.164)
35. Mitrica, B.; Gherghel-Lascu, A. et al, “A Mobile Detector for
Muon Measurements Based on Two Different Techniques”,
ADVANCES IN HIGH ENERGY PHYSICS, Article Number:
256230 Published: 2013 (a = 1.180)
44
PARTICIPARI LA CONFERINTE
INTERNATIONALE 1. Gherghel-Lascu, A; KASCADE-Grande Collaboration,
“KASCADE-Grande Energy Reconstruction Based on the
Lateral Density Distribution Using the QGSJet-II.04 Interaction
Model”, Conference: 6th Carpathian Summer School of Physics
on Exotic Nuclei and Nuclear/Particle Astrophysics - Physics
with Small Accelerators Location: Sinaia, ROMANIA Date:
JUN 26-JUL 09, 2016. Book Series: AIP Conference
Proceedings Volume: 1852 Article Number: UNSP 080003
Published: 2017
2. Gherghel-Lascu, A; KASCADE-Grande Collaboration,
“Extensive Air Reconstruction Based on the Lateral Density
Distribution of Charged Particles”, Conference: Bucharest
University, Faculty of Physics 2017 Meeting, Location:
Bucharest, ROMANIA, Date: 23 - 24-06-2017
3. Gherghel-Lascu, A.; KASCADE-Grande Collaboration, “Lateral
Density and Correction Functions for the KASCADE-Grande
Experiment predicted by the QGS-JetII.04 model”, Conference:
Bucharest University Faculty of Physics 2016 Meeting,
Location: Bucharest, ROMANIA, Date: 17-06-2016
4. Gherghel-Lascu, A.; KASCADE-Grande Collaboration,
“Effects of the new hadronic interaction models on the
reconstruction of KASCADE-Grande observables”, The 34th
International Cosmic Ray Conference, 30 July- 6 August, 2015,
The Hague, The Netherlands. https://pos.sissa.it/236/
5. Gherghel-Lascu, A; KASCADE-Grande Collaboration,
“Refined Lateral Energy Correction Functions for the
45
KASCADE-Grande Experiment Based on Geant4 Simulations”,
Conference: Carpathian Summer School of Physics Location:
Sinaia, ROMANIA Date: JUL 13-26, 2014, Book Series: AIP
Conference Proceedings Volume: 1645 Pages: 332-338
Published: 2015
6. Gherghel-Lascu, A.; Sima, O.; Brancus, I. M.; et al, “Geant4
Simulation of Energy Deposit in KASCADE-Grande
Detectors”, Conference: Carpathian Summer School of Physics
(CSSP) Location: Sinaia, ROMANIA Date: JUN 24-JUL 07,
2012, Book Series: AIP Conference Proceedings Volume:
1498 Pages: 329-333 Published: 2012
top related