Caracterización de dos detectores de muy alta energía: estudio del ruido dentro de los telescopios magic y fragmentaciones de los núcleos en el experimento ams-02

Resumen

Desde su descubrimiento los rayos cósmicos han sido objeto de numerosos estudios de diversa naturaleza. Se ha intentado determinar su origen, propagación y evolución en función de los resultados experimentales obtenidos con los detectores elaborados a tal efecto. Múltiples teorías han sido desarrolladas para intentar explicar esos resultados y otras tantas que aún deben ser validadas por futuros análisis. MAGIC (Major Atmospheric Gamma-Ray Imaging Cherenkov) y AMS-02 (AlphaMagnetic Spectrometer) son dos proyectos que aúnan su capacidad de detección al resto de experimentos de altas energías para ampliar el conocimiento de este tipo de partículas. MAGIC es un conjunto de dos telescopios ubicados en La Palma (Tenerife) que permiten la detección y caracterización de rayos gamma altamente energéticos. La incorporación del segundo telescopio en 2009 permitió una mejora en la determinación de la cascada electromagnética originada así como de su orientación, de modo que puede determinarse la dirección del cielo de la que procede la partícula y ahondar en el origen de la partícula cósmica que la originó. AMS-02, por su parte, es la segunda versión de un detector que se lanzó al espacio en 1998 y que, con menos de 200 horas de datos, recolectó gran cantidad de eventos con los que se pudieron mejorar los resultados obtenidos con miles de horas de datos de otros experimentos. Alentados ante esta confirmación de sus expectativas, el equipo de AMS desarrolló durante más de una década un segundo detector ampliado y mejorado para cubrir una amplia gama de estudios de partículas. Esta tesis se centra en el estudio de procesos físicos que pueden ser relevantes durante el desarrollo del análisis de los datos de MAGIC y AMS-02. Por ese motivo, el objetivo de la tesis es doble. Por un lado, dentro del proyecto MAGIC, se presenta un método que mejora la calidad de las imágenes de los telescopios MAGIC. El estudio se ha centrado en la optimización de los parámetros de limpieza de los datos con la finalidad de optimizar el proceso de limpieza. Con ello se consigue una mejora en la eliminación del ruido que enmascara la señal dificultado su detección y caracterización. Durante estos análisis se ha puesto en evidencia la existencia de un porcentaje de ruido en el segundo telescopio que había pasado inadvertido. Un análisis particular demostró que la presencia de estrellas brillantes en el campo de visión de la cámara incrementa el ruido presente en los datos. Investigaciones posteriores lo han confirmado, al igual que un error en el código que trata los pixeles de la cámara. Por otra parte, también se demostró la eficacia en la reducción del nuevo método de limpieza SUM frente al hasta ahora empleado TIMING, por lo que está empezando a ser ampliamente utilizado. En particular, en el estudio de pulsares debido a que la eliminación del ruido resulta fundamental a la hora de caracterizar los pulsos de la señal. Por otro lado, dentro del proyecto espectrómetro de masas, se ha evaluado el efecto de las interacciones en el detector AMS-02 sobre su medida de las abundancias y espectros de las partículas de helio a lo largo del mismo. Esto es importante, como ya se verá en el capítulo primero sobre cosmología, debido a que los átomos de helio primordiales permiten establecer cómo fueron los primeros instantes del Universo. Esta tesis se ha estructurado de forma que permita dar cabida a los estudios realizados para ambos proyectos. Así, en el primero y segundo capítulos se resumen las ideas más importantes relativas a cosmología y rayos cósmicos, respectivamente, que están relacionadas con este trabajo. El tercer capítulo ofrece la presentación del proyecto MAGIC, exponiendo las características principales de ambos telescopios y la cadena de análisis de los datos que son analizados. En el cuarto y quinto capítulos se exponen los análisis realizados con datos de MAGIC sobre el ruido y la optimización de la limpieza con la finalidad de establecer un método y parámetros de limpieza que permitan obtener una señal óptima. En el capítulo sexto se da paso a una introducción sobre el experimento AMS-02 y se presenta cada uno de sus detectores con sus características y sus funciones correspondientes. En el séptimo capítulo se desarrolla el estudio sobre fragmentaciones originadas por la colisión de un rayo cósmico sobre el detector de AMS-02 con el fin de caracterizar qué partículas son realmente las que provienen del espacio exterior y cuáles son partículas incorrectamente contabilizadas que deben ser analizadas de distinto modo. Finalmente, el capítulo octavo contiene las conclusiones generales de todos los análisis realizados.