Desarrollo y calibración de un nuevo sistema de detección y obtención de anisotropías de muones cósmicos basado en centelladores

En esta tesis se presenta una propuesta innovadora de telescopio de muones capaz de obtener flujo y direccionalidad de trayectorias mediante el empleo de tan sólo dos centelladores orgánicos apilados de 1 m2 de superficie. La aportación novedosa de esta tesis a la técnica de detección de muones está en la obtención de la dirección de la trayectoria del muon a partir de la altura de los pulsos generados por ocho fotomultiplicadores situados en las caras laterales de los centelladores. Frente a soluciones empleadas en telescopios de muones tradicionales, como el de Nagoya, que emplea 72 centelladores similares distribuidos en dos pisos de 36 m2, la aplicación práctica de este nuevo concepto supone ventajas, como son: simplicidad de diseño, construcción, puesta a punto, portabilidad, instalación en plataformas móviles y coste. Además de la hipótesis de partida y su estudio teórico, se incluye en el documento la demostración práctica de funcionamiento mediante el diseño completo e implementación del primer prototipo, el cual ha sido instalado en la Base Antártica Española Juan Carlos I (isla de Livingston). El diseño de la circuitería electrónica aporta soluciones originales de bajo coste y altas prestaciones que facilitan su implementación, su puesta a punto, el registro y análisis de datos, así como la monitorización y control remotos del instrumento. Tal es el caso de módulos como el discriminador de nivel, el detector de altura de pulso o el empleo y aprovechamiento óptimo de un sistema de proceso empotrado mono-placa de bajo coste, que incluye un procesador principal y dos procesadores en tiempo real, los cuales constituyen el alma del sistema en la adquisición de datos. Finalmente, se presentan los resultados y conclusiones preliminares tras el análisis de los datos registrados por el primer prototipo durante el año 2020, corroborando el buen funcionamiento del telescopio y validando la hipótesis de partida y la viabilidad de su puesta en práctica.This thesis presents an innovative system capable of obtaining muon flux and trajectory direction by using only a pair of one square meter stacked organic scintillators. The novel contribution of this work to the muon detection field lies in the capability of determining the muon’s trajectory direction from the pulse height generated by eight photomultipliers located on the lateral faces of the scintillators. Compared to solutions used in traditional muon telescopes, such as the one in Nagoya, which uses 72 similar scintillators distributed over two floors of 36 m2, the practical application of this new concept has advantages such as simplicity of design, implementation, portability, operation on mobile platforms and cost. In addition to the starting hypothesis and its theoretical study, this document includes the practical demonstration of operation through the complete design, construction and commissioning of the first prototype, which has been installed at the Juan Carlos I Spanish Antarctic Base (Livingston Island). The electronic circuitry design includes original low-cost and high-performance solutions which make easier its assembly, installation, adjustment, data recording, data analysis and remote monitoring and control. In this regard, it is worth highlighting the design of some modules such as the level discriminator or the pulse height detector. It is also remarkable the optimal use of a low-cost single-board computer, which becomes the soul of the data acquisition system thanks to its main processor and its two built-in real-time processors. Preliminary results and conclusions are eventually presented after analyzing data collected by the first prototype during 2020, verifying the proper system operation and validating the initial hypothesis and the viability of its implementation