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Ver el documento (formato PDF)   Pieroni, Pablo Emanuel.  "Medición del flujo de neutrinos cósmicos ultra energéticos mediante detectores de superficie"  (2016-03-14)
Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires
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Resumen:
Esta Tesis estudia la medición de neutrinos cósmicos ultra energéticos mediante detectores de superficie. Básicamente existen dos mecanismos a través de los cuales los neutrinos en el rango del EeV pueden inducir señales distinguibles a nivel de superficie. El primero consiste en la interacción de un neutrino en la atmósfera, via corrientes cargadas o neutras, y la subsiguiente producción de una cascada atmosférica extendida descendente. El segundo se basa en la interacción de un neutrino tau en la corteza terrestre al atravesarla de manera rasante. Este proceso da lugar a un leptón tau capaz de escapar hacia la atmósfera e iniciar en su decaimiento una lluvia extendida ascendente de alto ángulo. En ambos casos, cuando la cascada se inicia cerca del detector, existen características en la señal producida, relacionadas con la presencia de componente electromagnética en la lluvia, que permiten discriminar este tipo de eventos del fondo dominante debido a rayos cósmicos de origen hadrónico. Este trabajo se divide en dos partes, que abordan dos tecnologías diferentes para estudiar las lluvias atmosféricas producidas por neutrinos. La primera parte trata la búsqueda de neutrinos basada en la interacción de las partículas de la lluvia con el Detector de Superficie del Observatorio Pierre Auger. En particular se describe el procedimiento de identificación, las posibles fuentes de fondo, el método desarrollado para calcular la exposición y sus incertezas sistemáticas asociadas en la búsqueda. Asimismo, se presenta por primera vez la integración de los distintos análisis complementarios desarrollados en Auger, que incluyen dos criterios de reconocimiento de neutrinos descendentes y uno de neutrinos rasantes, en un único resultado, así como la inclusión del envejecimiento del detector en el cálculo de la exposición. Ningún candidato a neutrino fue encontrado en los datos adquiridos entre 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 límite sobre el flujo de neutrinos de cada sabor, de k < 6,4*10^9 GeV cm^2 s^-1 sr^-1 con un nivel de confianza del 90% en el rango de 1,0*10^17 eV - 2,5*10^19 eV, el más estricto hasta la fecha. En la segunda parte de este trabajo se estudia el potencial de la detección de las ondas de radio producidas por lluvias atmosféricas para identificar aquellas producidas por neutrinos, y se investigan las capacidades y limitaciones de un arreglo 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 desarrollo de la lluvia atmosférica extendida con producción de radiación electromagnética en frecuencias de radio, y la generación de la señal en las antenas del detector. A partir de estas simulaciones se desarrollaron algoritmos de reconstrucción e identi ficación que permiten distinguir eventos iniciados por neutrinos de los generados por el fondo de lluvias hadrónicas. Se utilizaron estos criterios para calcular la exposición que podrían alcanzar detectores de diferentes tamaños y topologías, concluyendo que la técnica puede ser competitiva para la siguiente generación de detectores de neutrinos.

Abstract:
This Thesis studies the measurement of ultra energetic cosmic neutrino by means of surface detectors. There are basically two mechanisms by which neutrinos in the EeV range may induce surface level distinguishable signals. The first one consists in the interaction of a neutrino in the atmosphere, either through charged or neutral currents, and the subsequent production of a down-going extended air shower. The second one is based on the interaction of an earth skimming tau neutrino in the earth crust. This process gives rise to a tau lepton that can escape into the atmosphere and start in its decay a high angle extended air shower. In both cases, when the shower starts near the detector, characteristics related to the presence of an electromagnetic component allow to discriminate this kind of events from the dominant hadronic cosmic ray background. This work is divided in two parts, which address two different technologies to study atmospheric showers induced by neutrinos. The first one deals with neutrino searches based in the interaction of shower particles with the Surface Detector of the Pierre Auger Observatory. In particular a detailed description is presented of the identification procedure, the possible background sources, the method developed to compute the exposure and its systematic uncertanties. Additionally, the integration of the different complementary neutrino search analyses developed in Auger is presented for the first time, which include two criteria to recognise downgoing neutrinos and one for earth-skimming neutrinos, as well as the inclusion of detector ageing in the exposure calculation. No candidate neutrinos have been found 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^-1 in the energy range from 1,0*10^17 eV - 2,5*10^19 eV, the most stringent to this date. The second part of this work studies the potential of the detection of the radio waves produced by atmospheric showers to identify those induced by neutrinos, as well as the capabilities and limitations of an antenna array to detect ultra high energy earth-skimming neutrinos. This involved simulations of the different intervening processes, including the neutrino interaction in the Earth, the tau lepton decay in the atmosphere, the subsequent development of the shower including the production of electromagnetic radiation in radio frecuencies, and the signal production in the detector antennas. From these simulations, reconstruction and identification algorithms were developed that allow to distinguish events initiated by neutrinos from the hadronic background. Finally these criteria were used to compute the exposure achieved by detectors with different sizes and topologies, concluding that the technique can be a competitive option in the next generation of neutrinos detectors.

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Registro:
Título : Medición del flujo de neutrinos cósmicos ultra energéticos mediante detectores de superficie     =    Measurement of the ultra high energy cosmic neutrino flux by means of surface detectors
Autor : Pieroni, Pablo Emanuel
Director : Piegaia, Ricardo
Alvarez Muñiz, Jaime
Consejero : Sassot, Rodolfo
Jurados : de Florian, Daniel  ; Dova, María T.  ; Sánchez, Federico
Año : 2016-03-14
Editor : Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires
Filiación : Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales
Departamento de Física
Grado obtenido : Doctor de la Universidad de Buenos Aires en el área de Ciencias Físicas
Ubicación : Preservación - http://digital.bl.fcen.uba.ar/gsdl-282/cgi-bin/library.cgi?a=d&c=tesis&d=Tesis_5927_Pieroni
Idioma : Español
Area Temática : Física / Astrofísica
Física / Física de Partículas
Palabras claves : RAYOS COSMICOS; NEUTRINOS UHE; NEUTRINOS COSMOGENICOS; OBSERVATORIO PIERRE AUGER; CASCADAS ATMOSFERICAS; EMISION Y DETECCION DE ONDAS DE RADIO; COSMIC RAYS; UHE NEUTRINOS; COSMOGENIC NEUTRINOS; PIERRE AUGER OBSERVATORY; ATMOSPHERIC SHOWERS; EMISSION AND DETECTION OF RADIO WAVES
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