Orientador: José Augusto Chinellato

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin

Resumo: Neste trabalho apresentamos a importância das câmaras de fotoemulsão que continuam, após décadas de uso, a oferecer atrativos para a física de partículas elementares. Citamos o detector OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus), que é o maior detector de câmara de...

Resumo: Neste trabalho apresentamos a importância das câmaras de fotoemulsão que continuam, após décadas de uso, a oferecer atrativos para a física de partículas elementares. Citamos o detector OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus), que é o maior detector de câmara de fotoemulsão-chumbo já construído (nove milhões de filmes de emulsão nuclear) como exemplo de sua aplicação na atualidade. Ele está presente no experimento de fluxo de neutrinos CNGS. Apresentamos também o detector CASTOR (Centauro And STrange Objects Research), que é um calorímetro hadrônico e eletromagnético de tungstênio e quartzo, desenvolvido para aprimorar o desempenho do experimento CMS (Compact Muon Solenoid) do LHC na região frontal. O CASTOR foi criado entre outras coisas, para o estudo de hádrons de longa penetração, observado em eventos de raios cósmicos ricos em hádrons. Estes foram identificados e chamados de strangelets. A proposta dos strangelets é que estes seriam produtos de decaimento de matéria de quarks rica em bárions, penetrariam grandes profundidades no chumbo e sairiam do detector quase não atenuados. Introduzimos os conceitos de chuveiros extensos atmosféricos e a técnica de câmara de fotoemulsão usada para o estudo destes. Ao mencionarmos o uso de câmaras de fotoemulsão em experimentos de montanha, não podemos deixar de citar a colaboração Brasil-Japão que detectou um evento exótico que passou a ser chamado de Centauro, por ter grande momento transversal. Além disso, a ausência de píons neutros é uma característica marcante deste tipo de evento. Vários outros eventos de mesmo tipo foram encontrados e a busca continua até hoje. Ainda falando sobre chuveiros atmosféricos, citamos como era feita a classificação de cascatas locais originadas pelas partículas da frente do chuveiro, na literatura das câmaras de fotoemulsões. O perfil longitudinal (em profundidade) de cada cascata local é usado para se determinar a energia da partícula incidente e também é um indicativo da sua natureza ¿ se faz parte da componente eletromagnética (elétron, pósitron ou gama) ou componente hadrônica. Cada cascata local observada é associada a um desses dois grupos. Apresentamos o software Geant como ferramenta de simulação deste trabalho. Originalmente desenvolvido no CERN para experimentos da física de altas energias, atualmente Geant é utilizado em outros campos como medicina e astrofísica. A versão mais recente (Geant4) também inclui tratamento de nêutrons de baixa energia (< 20 MeV) e de íons. Para a física de nêutrons, o Geant4 possui implementação de modelos de nêutrons de alta precisão que incluem os processos de colisões elásticas e inelásticas, captura e fissão. Para o tratamento de íons, foram implementados processos de colisão inelástica, decaimento radioativo e dissociação eletromagnética implementados para simulações. Apresentamos a geometria dos detectores tipo CBJ e tipo Pamir implementada com os recursos do Geant4. O detector tipo CBJ foi construído para o estudo de cascatas locais, produzidas em chumbo ou em carbono, no caso em que uma camada de ar serve como meio onde os secundários propagam-se e separam-se de modo a serem identificados a distâncias de centenas de micra ou mais; o perfil longitudinal é sempre usado para a análise. O detector tipo Pamir, composto somente de chumbo e filmes fotossensíveis, foi construído para o estudo de partículas de longa penetração e para analisar as profundidades em que os nêutrons podem iniciar cascatas em seu interior. Com os resultados obtidos, percebemos que há hádrons que podem interagir em grandes profundidades no chumbo, como o nêutron, em situações que poderiam ser erroneamente identificados como strangelets. Para determinar as características das cascatas assim produzidas, usamos o tratamento de colisões hadrônicas recentemente implantado no GEANT4. Este é um resultado importante deste trabalho ¿ mostramos que há uma probabilidade de identificação falsa de partículas

Abstract: This work introduces the importance of photoemulsion chambers that remain in use after decades and still offer many advantages for elementary particle physics. We cite OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) detector that is the greatest lead photoemulsion chamber...

Abstract: This work introduces the importance of photoemulsion chambers that remain in use after decades and still offer many advantages for elementary particle physics. We cite OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) detector that is the greatest lead photoemulsion chamber detector ever constructed as an example of its application nowadays (nine million nuclear emulsion films). We also introduce the CASTOR detector (Centauro And STrange Objects Research) that is a hadronic and electromagnetic calorimeter of tungsten and quartz developed to improve the performance of CMS (Compact Muon Solenoid) experiment of LHC in its frontal region. One of most important features of Castor is its long dimension in the frontal region, which is suited to study long penetrating hadrons, as they appear in hadron-rich cosmic rays events. These hadrons were identified and called strangelets. The proposal of strangelets is that they were a result of baryon-rich quark matter decay and that they would penetrate great depth in lead and would leave the detector almost unattenuated. We presented the basic concepts of extensive air shower and the photoemulsion chamber technique used for its study. We introduce the use of photoemulsion chambers in mountain experiments and cited the Brasil-Japão Collaboration that detected an exotic event called Centauro for having large cross section. Besides, the absence of neutral pions is a remarkable feature of this type of event. Many other events of this type were detected and its search remains until today. Still talking about atmospheric showers, we cited how the classification of local cascades originated by frontal particles of shower were made in photoemulsion chamber literature. The longitudinal profile (in depth) of each local cascade is used to determine the energy of entering particle and it is also a signal of its nature ¿ if it is a part of electromagnetic component (electron, positron or gamma) or hadronic component. Each local cascade is observed is associated to one of these groups. We present Geant software as the simulation tool of this work. Originally developed at CERN for experiments of high energy physics, presently Geant is used in others fields as medicine and astrophysics. The most recent version of Geant is Geant4 and also includes low energy neutrons (< 20 MeV) and ion treatment. For neutron physics, Geant4 has the implementation of very high precision neutron models that include elastic and inelastic collision process, capture and fission. For ion treatment, we have inelastic collisions, radioactive decay and electromagnetic dissociation implemented for simulations. We introduce the CBJ and Pamir detectors geometry implemented with Geant4 resources. The CBJ detector was constructed to study local cascades produced in lead or carbon when an air layer is used as a mean where secondary particles propagates and are separated in distances of micra or greater. The longitudinal profile is always used for the analysis. The Pamir detector, made of only lead and photosensitive films, was constructed to study long penetrating particles and to study the depths that neutrons begins its cascade. The results obtained show that there are hadrons, for instance neutrons, interacting in great depths of lead in cases that it could be misidentified as strangelet. To determine the features of cascades produced this way, we used the hadronic collision treatment recently implemented in Geant4. This is an important result because we showed that there is a probability of false identification of particles