Medida do Rendimento da Fluorescência em Chuveiros Atmosféricos no Observatório Pierre Auger

Esta tese tem o objetivo de apresentar um método para a medida direta da taxa de produção de luz fluorescente em chuveiros atmosféricos extensos. Aplicaremos o metodo aos dados coletados pelo Observatório Pierre Auger, na Argentina. A incerteza sobre a taxa de produção de luz fluorescente é a maior fonte de erros sistemáticos na determinação da energia dos chuveiros atmosféricos com energia alta. Consequentemente, esta incerteza tem um impacto significativo na determinação do espectro dos raios cósmicos. O método desenvolvido neste trabaçho possibilita a medida da taxa de luz fluorescente diretamente nos chuveiros atmosféricos extensos, em condições reais, permitindo uma comparação com as medidas feitas em laboratório. As variações das condições atmosféricas são bastante complexas, de modo que, esta medida da taxa, em condições reais, permite uma redução nas incertezas sistemáticas na medida da energia dos raios cósmicos ultra-energéticos, melhorando a resolução da medida do espectro dos raios cósmicos. Esta tese está dividida em 6 capítulos, e tem a adição de 4 apêndices. Uma breve introdução histórica sobre raios cósmicos e suas origens abre o primeiro capítulo. No segundo, tratamos da fenomenologia dos chuveiros atmosféricos extensos e suas principais características. Nele descrevemos os chuveiros atmosféricos, explorando seus elementos principais. Abordamos ainda, a propagação de raios cósmicos plo espaço intergaláctico. No capítulo 3 descrevemos o Observatório Pierre Auger, localizado na Argentina, abordando os detalhes de dois dos seus componentes principais, o Detector de Superfície (SD) e o Detector de Fluorescência (FD). Este sistema híbrido de detecção dos chuveiros faz do Auger uma ferramenta única para o estudo dos raios cósmicos, explorando aspectos complementares deles, ou seja, medindo o desenvolvimento longitudinal do chuveiro ao se propagar pela atmosfera e fazendo seu retrato detalhado, quando chega ao chão. Damos atenção especial ao processo de monitoramento atmosférico e ao modelo atmosférico apropriado para a região geográfica, que descreve-a com bastante acurácia e indicamos como ele é levado em conta na reconstrução de chuveiros. Fazemos, ainda, uma descrição sumária da teoria sobre a emissão de luz fluorescente em chuveiros atmosféricos, na qual se fundamenta fisicamente a análise de dados desta tese. O capítulo 4 descreve a fenomenologia atmosférica na qual se baseia a análise de dados aqui realizada. São descritos os modelos atmosféricos e as condições da atmosfera da Argentina. São discutidas também as contribuições na composição do sinal registrado pelo FD, tais como espalhamento Rayleigh, o processo de absorção pelo ozônio e o background Cherenkov. No capítulo 5 descrevemos alguns dos experimentos anteriores que estudaram raios cósmicos ultra-energéticos e, em particular, aqueles que deram contribuições imnportantes para a medidad da taxa de emissão de luz fluorescente. Discutimos também o processo de detecção da luz fluorescente no Auger, que faz parte da modelagem computacional da simulação da operação do FD. Explicamos ainda, a metodologia utilizada para a simulação dos chuveiros extensos e os programas de reconstrução utilizados no trabalho e a estratégia para extrair dos dados a taxa de produção da luz fluorescente. Finalmente, mostramos e analisamos os testes de validação do método, os resultados obtidos e fazemos uma análise dos erros. Nos apêndices mostramos os resultados da análise de todos os dados coletados nos anos de 2007 e 2008. Exibo ainda o trabalho que realizei durante minha participação nas campanhas de acompmanhamento das operações (shifts) do FD e seu sistema LIDAR de monitoramento atmosférico no ano de 2006. Este trabalho está devidamente documentao no endereço eletrônico mencionado no resumo desta tese e disponível para integrantes da Colaboração Auger em seu sítio na Internet.