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Type: DISSERTAÇÃO DIGITAL
Degree Level: Mestrado
Title: Use of a small photomultiplier tube to extend the dynamic range of the surface detector of the Pierre Auger Observatory : Uso de fotomultiplicadora pequena para estender o alcance dinâmico do detector de superfície do Observatório Pierre Auger
Title Alternative: Uso de fotomultiplicadora pequena para estender o alcance dinâmico do detector de superfície do Observatório Pierre Auger
Author: Machado Payeras, Allan, 1992-
Advisor: Fauth, Anderson Campos, 1957-
Abstract: Resumo: Raios cósmicos são partículas que permeiam o universo e estão constantemente atingindo a Terra. Os raios cósmicos de mais altas energias, ao penetrarem a atmosfera terrestre, interagem principalmente com moléculas de nitrogênio e oxigênio produzindo cascatas de partículas. Esse fenômeno é conhecido como chuveiro atmosférico extenso. Dado o baixo fluxo de raios cósmicos com energias maiores que 100 PeV, a detecção direta dessas partículas não é uma abordagem prática. Ao invés, são detectados os chuveiros atmosféricos que estas produzem. Para isso são utilizados detectores espalhados por uma grande área que assim possibilitam o acúmulo de dados suficientes para estudos. O Observatório Pierre Auger, localizado na Argentina, é o maior observatório de raios cósmicos do mundo. Ele emprega duas técnicas independentes e complementares na detecção de chuveiros atmosféricos extensos. O detector de superfície é composto por uma rede de 1660 tanques de água Cherenkov espalhados por uma área de 3000 quilômetros quadrados. A atmosfera acima do detector de superfície é observada por 24 telescópios de fluorescência distribuídos em quatro sítios de observação. Cada tanque Cherenkov contém 12000 litros de água. No topo desse volume estão instaladas três fotomultiplicadoras. Quando partículas carregadas, provenientes de chuveiros atmosféricos, atravessam o volume de água com velocidade maior que a da luz nesse meio, é emitida radiação Cherenkov. Os fótons são refletidos no interior do tanque de forma difusa e geram um sinal nas fotomultiplicadoras. Quanto maior o número de partículas atravessando o tanque, maior o sinal. Quando um grande número de partículas passa por um detector Cherenkov, as fotomultiplicadoras deste podem vir a saturar. Isso tem um impacto nos procedimentos de reconstrução de chuveiros utilizados para a obtenção de informações como a energia e composição dos raios cósmicos primários. Para resolver o problema de saturação foi proposta a implementação de uma fotomultiplicadora adicional com fotocátodo de pequena área, como parte do plano de atualização do observatório. Com a implementação de tal fotomultiplicadora nos detectores, menos fótons serão coletados em relação as fotomultiplicadoras convencionais, portando diminuindo drasticamente a probabilidade de saturação. Para testar a proposta, dez detectores experimentais receberam fotomultiplicadoras pequenas. Utilizando dados desses detectores, realizamos um estudo da performance das fotomultiplicadoras no campo, constatando que estas são robustas ao ambiente. Utilizando as fotomultiplicadoras convencionais, fizemos a calibração das fotomultiplicadoras pequenas, para que estas expressem os sinais em termos da carga produzida por um muon vertical cruzando o centro do detector. Descobrimos uma dependência da calibração com variações a longo prazo da temperatura. Por fim, constatamos que, com a implementação das fotomultiplicadoras pequenas, o alcance dinâmico dos detectores é aumentado por um fator de aproximadamente 25 vezes, o qual reduz a ocorrência de saturação para menos de 0,1% dos eventos

Abstract: Cosmic rays are particles that permeate the universe and constantly bombard the Earth. High-energy cosmic rays, when penetrating Earth's atmosphere, interact mainly with nitrogen and oxygen molecules producing cascades of particles. This phenomenon is called extensive air shower. Given the low flux of cosmic rays with energies greater than 100 PeV, the direct detection of these particles is not a practical approach. Instead, detectors spread over a large area are used to detect extensive air showers produced by energetic cosmic rays. This allows enough data to be collected for further studies. The Pierre Auger Observatory in Argentina is the largest cosmic-ray observatory in the world. It employs two independent and complementary techniques for detecting extensive air showers. The surface detector is composed of 1660 water-Cherenkov detectors spread over an area of 3000 squared kilometres. The atmosphere above the surface detector is observed by 24 fluorescence telescopes at four observation sites. The water-Cherenkov detectors consist of a tank containing 12000 liters of water. On top of this volume, three photomultiplier tubes are present. When charged particles from extensive air showers cross the water with speed higher than that of light in that medium, Cherenkov radiation is emitted. The photons are diffusely reflected on the tank interior and produce a signal in the photomultiplier tubes. The larger the number of particles crossing the detector, the larger the signals. When a large number of particles pass through a water-Cherenkov detector, its photomultiplier tubes may saturate. This impacts on the procedures to reconstruct showers, which are used for obtaining information like energy and composition of the primary cosmic ray. As part of the upgrade plan for the Observatory, the implementation of an additional photomultiplier tube with small photocathode area was proposed to solve the saturation problem. For an event, less photons will be collected by the small photomultiplier compared to the standard ones. Therefore, the probability of saturation will be drastically reduced. Ten water-Cherenkov detectors were equipped with small photomultiplier tubes to test the proposal. We used their data to study the performance of the small photomultiplier tubes on the field. We found that they are robust in the environment. Using the standard photomultiplier tubes, we calibrated the small ones so that their signals are given in terms of the charge produced by a vertical muon crossing the centre of a detector. We found a dependency of the calibration on long-term variations of temperature. At last, we verified that the implementation of the small photomultiplier extended the dynamic range of the water-Cherenkov detectors by a factor of approximately 25 times. It reduced the occurrence of saturation to less than 0.1% of the events
Subject: Detectores Cherenkov
Detectores de partículas
Raios cósmicos
Language: Inglês
Editor: [s.n.]
Citation: MACHADO PAYERAS, Allan. Use of a small photomultiplier tube to extend the dynamic range of the surface detector of the Pierre Auger Observatory: Uso de fotomultiplicadora pequena para estender o alcance dinâmico do detector de superfície do Observatório Pierre Auger. 2018. 1 recurso online (120 p.). Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin, Campinas, SP.
Date Issue: 2018
Appears in Collections:IFGW - Tese e Dissertação

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