universitatea din bucureȘti facultatea de …doctorat.fizica.unibuc.ro/doctorat/rezumate/rezumat...

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

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


Fig. 11 Densitatea de Fotoni pentru cascade induse de Fe


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


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


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


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


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



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


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


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


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


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

universitatea din bucureȘti facultatea de …doctorat.fizica.unibuc.ro/doctorat/rezumate/rezumat...

Documents