Estudio del potencial de interacción de núcleos débilmente ligados

La disponibilidad de instalaciones capaces de producir haces radiactivos para el estudio de mecanismos de reacción de núcleos exóticos ha despertado un nuevo inter ́es en el campo de la física nuclear de bajas energías. Estos núcleos, alejados del denominado valle de estabilidad, exhiben propiedades como baja energía de ligadura y estructuras tipo cúmulos o de halos de neutrones. De igual forma, la existencia de núcleos livianos débilmente ligados estables (6Li, 7Li y 9Be), que comparten estas características, brindan la posibilidad de estudiar estos mecanismos en instalaciones convencionales con haces estables, con la ventaja de poder ser producidos con mayor intensidad. En particular, el mecanismo de quiebre (breakup) resulta de gran interés por diversos motivos. En el campo de estudio de las reacciones nucleares se ha comprobado, a través de experimentos realizados en distintos sistemas binarios, que el efecto de quiebre modifica radicalmente la dinámica de la colisión de los núcleos débilmente ligados, ya sean estables o radiactivos. Por otra parte, dentro del área de la astrofísica nuclear, se ha propuesto que el estudio del mecanismo de quiebre de núcleos livianos permitiría la determinación de secciones eficaces de captura radiativa por medio del proceso inverso. El presente trabajo consistió en medir y analizar las secciones eficaces diferenciales de dispersión el ́astica, inelástica y las secciones eficaces totales de fusión completa, incompleta y transferencia de un neutrón del sistema 9Be + 197Au. Dada la baja energía de separación del neutrón del proyectil 9Be, Sn = 1,66 MeV, el proceso de quiebre en interacción con el blanco ocurre, a ́un para energías por debajo de la barrera coulombiana del sistema, estimada en 40,5 MeV. Por otra parte, al ser el blanco de 197Au un núcleo impar, da lugar numerosos estados excitados de baja energía, lo que se traduce en distintos canales de dispersión inelástica. Asimismo, se produce la fusión completa del proyectil o incompleta de alguno de los fragmentos del quiebre, lo que da lugar a numerosos residuos con vidas medias del orden de las horas. Para medir las distribuciones angulares de dispersión el ́astica e inelástica del sistema 9Be + 197Au se implementó un arreglo de doce detectores de silicio tipo barrera de superficie, cuya posición angular fue variada en un intervalo entre 20° y 170°. Las mediciones fueron efectuadas para doce energías de bombardeo alrededor de la barrera coulombiana del sistema. Gracias a la resolución en energía de los detectores empleados fue posible identificar y cuantificar, a través del cálculo de las secciones eficaces, los canales de reacción correspondientes a la dispersión el ́astica e inelástica para los estados 5/2+ (279,0 keV) y 7/2+ (547,5 keV) del 197Au. Por otra parte, las secciones eficaces totales de fusión completa, incompleta y transferencia de un neutrón se midieron mediante la irradiación de blancos de oro con láminas de aluminio para capturar los residuos de fusión-evaporación y transferencia producidos. Las cascadas de decaimiento de estos productos fueron identificadas en forma diferida (off line) en el blanco y en la lámina captora mediante espectrometría gamma con un detector de germanio hiperpuro. Este estudio permitió discriminar y cuantificar los canales de fusión y transferencia. En el caso de la fusión completa, el núcleo compuesto 206Bi evapora de tres a cinco neutrones. Para la fusión incompleta, el núcleo compuesto 201Tl, producido por la fusión de una partícula alfa generada en el quiebre del 9Be, evapora uno y dos neutrones. Por último, la transferencia de un neutrón produce 198Au, que luego decae por emisión beta. Las secciones eficaces totales de cada proceso fueron obtenidas mediante códigos computacionales desarrollados en este trabajo de tesis. Para la fusión completa, se observó que el proceso de evaporación de cuatro neutrones resultó dominante en el rango de energías cercanas a la barrera coulombiana. Respecto al canal de transferencia, es destacable que su sección eficaz pudo ser medida hasta una energía de bombardeo de tan solo 22 MeV. Los datos experimentales para la dispersión el ́astica fueron analizados en términos del Modelo Óptico mediante distintos potenciales efectivos. Fueron utilizados un potencial fenomenológico complejo de Woods-Saxon y un potencial microscópico de doble convolución denominado potencial de São Paulo. La dependencia de estos potenciales con la energía fue estudiada a través de las integrales de volumen evaluadas en el radio de sensibilidad del potencial, el cual fue obtenido mediante códigos numéricos desarrollados en esta tesis. También se implementó un procedimiento basado en muestreo aleatorio a partir de la matriz de covarianza de los datos ajustados para evaluar la relación de dispersión entre las partes real e imaginaria del potencial óptico. Los resultados del Modelo Óptico mostraron que la parte imaginaria del potencial presenta un crecimiento para energías por debajo de la barrera, para luego decrecer en intensidad. En la misma zona, el potencial real presenta un comportamiento opuesto, con un mínimo en Elab = 36 MeV, para luego aumentar su intensidad a energías menores. Este comportamiento, denominado anomalía de umbral de quiebre, ha sido observado en la dispersión elástica de núcleos débilmente ligados. Debido al fuerte acoplamiento al canal de quiebre, incluso a energías subcoulombianas, la intensidad del potencial aumenta a medida que la energía disminuye por debajo de la barrera. Como consecuencia de la relación de dispersión, se genera un decrecimiento de la parte real. Por último, las distribuciones angulares de dispersión inelástica fueron analizadas mediante el formalismo de canales acoplados con un potencial fenomenológico de Woods-Saxon. Similarmente, las secciones eficaces experimentales de fusión completa correspondientes a la evaporación de tres, cuatro y cinco neutrones fueron comparadas con las predicciones obtenidas por un modelo estadístico de fusión-evaporación. Los resultados obtenidos evidenciaron coincidencias con los datos experimentales, en el rango de energías de validez del modelo. Por otra parte, la medición de los canales de fusión incompleta posibilitó determinar la supresión de fusión completa a partir de datos experimentales, sin utilizar modelos teóricos. Para energías por encima de la barrera, esta supresión se estimó en (38 ± 9) %, lo que resulta similar a los valores obtenidos para sistemas con proyectiles de 9Be y blancos de número másico similar. El mecanismo de quiebre directo de 9Be en dos partículas alfa y un neutrón se produce en la zona de interacción nuclear, lo que lleva a la fusión incompleta y, por ende, a la supresión de la fusión completa. Por el contrario, los resultados de las secciones eficaces de transferencia indicaron que el quiebre secuencial de 8Be, producido por transferencia de neutrón al blanco, es el mecanismo dominante para energías subcoulombianas. La baja energía de separación de neutrón del 9Be posibilita que este canal continúe abierto incluso para energías muy por debajo de la barrera. Con el propósito de proporcionar una descripción global del sistema, la suma de las secciones eficaces experimentales de fusión total y transferencia fueron comparadas con las secciones eficaces de absorción, obtenidas del cálculo de canales acoplados para la dispersión inelástica. Los resultados evidenciaron que existe una contribución del canal de quiebre directo de 9Be sin captura de sus fragmentos a la sección eficaz de absorción. La comparación con el modelo permitió estimar las secciones eficaces totales de este proceso en función de la energía. [Algunas expresiones aproximadas, revisar las mismas en el original].The availability of facilities capable of producing radioactive beams for the study of exotic nuclear reaction mechanism has generated a new interest in the field of low energy nuclear physics. These nuclei, located far from the so-called stability valley, exhibit proper-ties such as low binding energy and cluster-like structures or neutron halos. Similarly, the existence of stable weakly bound nuclei (6Li, 7Li y 9Be) that share these characteristics, offers the possibility of studying these mechanisms in conventional facilities with stable beams, with the advantage of being able to be produced with greater intensity. In particular, the breakup mechanism is of great interest for a number of reasons. In the field of nuclear reactions it has been proved, through experiments carried out in different binary systems, that the breakup radically modifies the dynamics of the collision of weakly bound nuclei, whether stable or radioactive. On the other hand, within the area of nuclear astrophysics, it has been proposed that the study of the breakup mechanism of light nuclei would allow the determination of radiative capture cross-sections by means of the inverse process. The present work consisted in the measurement and analysis of the elastic and inelastic scattering cross sections, as well as complete fusion, incomplete fusion and one neutron transfer total cross sections of the 9Be + 197Au system. Given the low neutron separation energy of the projectile 9Be, Sn = 1.66 MeV, the breakup process in interaction with the target occurs, even for energies below the Coulomb barrier of the system, estimated at 40.5 MeV. Also, being the target of an odd nucleus, it gives rise to numerous low energy excited states, which leads to different channels of inelastic scattering. Furthermore, complete or incomplete fusion of the projectile gives rise to numerous residues with half-lives of the order of hours. To measure the elastic and inelastic scattering angular distributions of the 9Be + 197Au system, an array of twelve surface barrier silicon type detectors was implemented, whose angular position was varied in an interval between 20° and 170°. The measurements were made for twelve bombardment energies around the Coulomb barrier of the system. Owing to the high energy resolution of the detectors used, it was possible to identify and quantify the reaction channels corresponding to the elastic and inelastic scattering for the 5/2+ (279,0 keV) y 7/2+ (547,5 keV) states of 197Au. Similarly, the measurement of the complete fusion, incomplete fusion, and one neutron transfer cross-sections was performed by means of an irradiation system of gold targets with aluminium captor sheets for the fusion-evaporation and transfer residues produced. The decay cascades of these products were identified off line in both the target and the captor sheet by gamma spectrometry with a hyperpure germanium detector. This study made it possible to discriminate and quantify the fusion and transfer channels. In the case of complete fusion, the compound nucleus 206Bi evaporates from three to five neutrons. For incomplete fusion, the nucleus 201Tl, produced by the fusion of an alpha particle from the breakup of the projectile, evaporates one and two neutrons. Finally, the transfer of one neutron produces 198Au which then decays by beta emission. Total cross-sections for each process were obtained by means of computational codes developed in this thesis work. For the complete fusion, it was observed that the four neutron evaporation process was predominant in the energy range close to the Coulomb barrier. Regarding the transfer channel, it is remarkable that its effective section could be measured up to a bombardment energy of only 22 MeV. The experimental data for the elastic scattering were analyzed in terms of the Optical Model using different effective potentials. A Woods-Saxon complex phenomenological potential and a double-folding microscopic potential called São Paulo potential were used. The dependence of these potentials with the energy was studied through the volume integrals evaluated in the sensitivity radius, which was obtained through numerical codes developed in this thesis. A procedure based on random sampling from the covariance matrix of the adjusted data was also implemented to evaluate the dispersion relation between the real and imaginary part of the optical potential. The results of the optical model showed that the imaginary part of the potential presents a growth for energies below the barrier, and then decrease in intensity. In the same region, the real potential presents an opposite behavior, with a minimum of 36 MeV, and then increase its strength to lower energies. This behavior, called break threshold anomaly, has been observed in elastic scattering of weakly bound nuclei. Due to the strong coupling to the breakup channel, even at sub-barrier energies, the imaginary potential strength increases as the energy decreases below the barrier. This implies, as a consequence of the dispersion relation, the decrease of the real potential. Finally, the inelastic scattering angular distributions were analyzed by means of the coupled channels formalism with a phenomenological Woods-Saxon potential. On the other hand, experimental complete fusion cross-section for the three, four and five neutron evaporation channels were compared with the predictions obtained by a statistical fusion model. The results obtained showed coincidences with the experimental data, in the energy range where the model is valid. On the other hand, the measurement of incomplete fusion channels makes it possible to experimentally determine the suppression of complete fusion without using theoretical models. For energies above the barrier, its value was estimated at (38 ± 9) % and is similar to those obtained for systems with 9Be projectiles and target with similar mass numbers. Prompt breakup of 9Be into two alpha particles and a neutron occurs in the nuclear interaction zone, leading to incomplete fusion and hence the suppression of complete fusion. On the contrary, results on the one neutron transfer cross-section indicate that sequential breakup of 8Be, formed by neutron stripping, is the main breakup mechanism at sub-Coulomb energies. The neutron low binding energy makes it possible for this channel to remain open even at extreme sub-barrier energies. For the purpose of providing a global description of the system, the sum of the total fusion and transfer cross-sections were compared with the absorption cross-sections, obtained from coupled-channel calculations for the inelastic scattering. The results showed that there is a contribution from the 9Be non-capture breakup channel to the absorption cross-sections. Comparison with the model allowed to estimate total cross section for this reaction as a function of the energy. [Algunas expresiones aproximadas, revisar las mismas en el original].Fil: Gollan Scilipotti, Fernando Daniel. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina

One-neutron transfer, complete fusion, and incomplete fusion from the Be 9 + Au 197 reaction

In this work, one-neutron transfer (pickup and stripping), complete and incomplete fusion cross sections for the Be9+Au197 system were measured over a wide range of energies around the Coulomb barrier by the offline γ-ray detection method. Coupled-channel calculations were used to determine the elastic, inelastic, and transfer cross sections. Coupled reaction channel calculations were performed to derive the one-neutron stripping and pickup cross sections. Three-body continuum discretized coupled-channel calculations were used to determine the effect of the breakup channel on the other reaction mechanisms. The reduced complete and total fusion were found to be hindered above and enhanced below the Coulomb barrier compared with the universal fusion function due to the breakup plus transfer effects.Fil: Gollan Scilipotti, Fernando Daniel. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Investigación y Aplicaciones No Nucleares. Gerencia Física (Centro Atómico Constituyentes). Proyecto Tandar; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Abriola, Daniel Hugo. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Investigación y Aplicaciones No Nucleares. Gerencia Física (Centro Atómico Constituyentes). Proyecto Tandar; ArgentinaFil: Arazi, Andres. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Investigación y Aplicaciones No Nucleares. Gerencia Física (Centro Atómico Constituyentes). Proyecto Tandar; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Cardona, Maria Angelica. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Investigación y Aplicaciones No Nucleares. Gerencia Física (Centro Atómico Constituyentes). Proyecto Tandar; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: de Barbará, Ezequiel. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Investigación y Aplicaciones No Nucleares. Gerencia Física (Centro Atómico Constituyentes). Proyecto Tandar; ArgentinaFil: de Jesús, Joaquín. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Investigación y Aplicaciones No Nucleares. Gerencia Física (Centro Atómico Constituyentes). Proyecto Tandar; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Hojman, Daniel Leonardo. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Investigación y Aplicaciones No Nucleares. Gerencia Física (Centro Atómico Constituyentes). Proyecto Tandar; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Id Betan, Rodolfo Mohamed. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Física de Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Instituto de Física de Rosario; ArgentinaFil: Lubian, J.. Universidade Federal Fluminense; BrasilFil: Pacheco, Alberto Jorge. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Investigación y Aplicaciones No Nucleares. Gerencia Física (Centro Atómico Constituyentes). Proyecto Tandar; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Paes, Bárbara. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Investigación y Aplicaciones No Nucleares. Gerencia Física (Centro Atómico Constituyentes). Proyecto Tandar; ArgentinaFil: Schneider, David Marcelo. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Investigación y Aplicaciones No Nucleares. Gerencia Física (Centro Atómico Constituyentes). Proyecto Tandar; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Soler, H. O.. Universidade Federal Fluminense; Brasi

Testing effects of Lorentz invariance violation in the propagation of astroparticles with the Pierre Auger Observatory

Lorentz invariance violation (LIV) is often described by dispersion relations of the form E i2 = m i2+p i2+δi,n E 2+n with delta different based on particle type i, with energy E, momentum p and rest mass m. Kinematics and energy thresholds of interactions are modified once the LIV terms become comparable to the squared masses of the particles involved. Thus, the strongest constraints on the LIV coefficients δi,n tend to come from the highest energies. At sufficiently high energies, photons produced by cosmic ray interactions as they propagate through the Universe could be subluminal and unattenuated over cosmological distances. Cosmic ray interactions can also be modified and lead to detectable fingerprints in the energy spectrum and mass composition observed on Earth. The data collected at the Pierre Auger Observatory are therefore possibly sensitive to both the electromagnetic and hadronic sectors of LIV. In this article, we explore these two sectors by comparing the energy spectrum and the composition of cosmic rays and the upper limits on the photon flux from the Pierre Auger Observatory with simulations including LIV. Constraints on LIV parameters depend strongly on the mass composition of cosmic rays at the highest energies. For the electromagnetic sector, while no constraints can be obtained in the absence of protons beyond 1019 eV, we obtain δγ,0 > -10-21, δγ,1 > -10-40 eV-1 and δγ,2 > -10-58 eV-2 in the case of a subdominant proton component up to 1020 eV. For the hadronic sector, we study the best description of the data as a function of LIV coefficients and we derive constraints in the hadronic sector such as δhad,0 < 10-19, δhad,1 < 10-38 eV-1 and δhad,2 < 10-57 eV-2 at 5σ CL.Fil: The Pierre Auger Collaboration. The Pierre Auger Observatory; Estados UnidosFil: Rovero, Adrian Carlos. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Astronomía y Física del Espacio. - Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Astronomía y Física del Espacio; ArgentinaFil: Scornavacche, Marina Andrea. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; Argentina. Karlsruher Institut für Technologie; AlemaniaFil: Perlin, Matias. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; Argentina. Karlsruher Institut für Technologie; AlemaniaFil: González, Nicolás Martín. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; Argentina. Université Libre de Bruxelles; BélgicaFil: Botti, Ana Martina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; ArgentinaFil: Gollan Scilipotti, Fernando Daniel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; ArgentinaFil: Figueira, Juan Manuel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; ArgentinaFil: Supanitsky, Alberto Daniel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; ArgentinaFil: Gesualdi, Flavia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; Argentina. Karlsruher Institut für Technologie; AlemaniaFil: Cobos Cerutti, Agustin Cleto. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; Argentina. Universidad Tecnológica Nacional; ArgentinaFil: Mariazzi, Analisa Gabriela. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Física La Plata. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ciencias Exactas. Instituto de Física La Plata; ArgentinaFil: Kizakke Covilakam, Varada Varma. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; Argentina. Karlsruher Institut für Technologie; AlemaniaFil: Micheletti, Maria Isabel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Física de Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Instituto de Física de Rosario; ArgentinaFil: Rovero, Adrian Carlos. Consejo Nacional de Investigaciónes Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Astronomía y Física del Espacio. - Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Astronomía y Física del Espacio; ArgentinaFil: Bonifazi, Carla Brenda. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Instituto de Ciencias Físicas. - Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Ciencias Físicas; Argentina. Universidad Nacional de San Martín. Escuela de Ciencia y Tecnología. Centro Internacional de Estudios Avanzados; ArgentinaFil: Binet, Maria Virginia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Física de Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Instituto de Física de Rosario; ArgentinaFil: Bertou, Xavier Pierre Louis. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro. Archivo Histórico del Centro Atómico Bariloche e Instituto Balseiro | Universidad Nacional de Cuyo. Instituto Balseiro. Archivo Histórico del Centro Atómico Bariloche e Instituto Balseiro; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentin

Design, upgrade and characterization of the silicon photomultiplier front-end for the AMIGA detector at the Pierre Auger Observatory

AMIGA (Auger Muons and Infill for the Ground Array) is an upgrade of the Pierre Auger Observatory to complement the study of ultra-high-energy cosmic rays (UHECR) by measuring the muon content of extensive air showers (EAS). It consists of an array of 61 water Cherenkov detectors on a denser spacing in combination with underground scintillation detectors used for muon density measurement. Each detector is composed of three scintillation modules, with 10 m2 detection area per module, buried at 2.3 m depth, resulting in a total detection area of 30 m2 . Silicon photomultiplier sensors (SiPM) measure the amount of scintillation light generated by charged particles traversing the modules. In this paper, the design of the front-end electronics to process the signals of those SiPMs and test results from the laboratory and from the Pierre Auger Observatory are described. Compared to our previous prototype, the new electronics shows a higher performance, higher efficiency and lower power consumption, and it has a new acquisition system with increased dynamic range that allows measurements closer to the shower core. The new acquisition system is based on the measurement of the total charge signal that the muonic component of the cosmic ray shower generates in the detector.Fil: Aab, A.. Radboud Universiteit Nijmegen; Países BajosFil: Abreu, P.. Instituto Superior Tecnico; PortugalFil: Aglietta, M.. Istituto Nazionale di Astrofisica; Italia. Istituto Nazionale di Fisica Nucleare; ItaliaFil: Albury, J. M.. University of Adelaide; AustraliaFil: Allekotte, Ingomar. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro; ArgentinaFil: Almela, A.. Universidad Nacional de San Martín; Argentina. Universidad Tecnológica Nacional; ArgentinaFil: Alvarez Muñiz, J.. Universidad de Santiago de Compostela; EspañaFil: Alves Batista, R.. Radboud Universiteit Nijmegen; Países BajosFil: Anastasi, G. A.. Università di Torino; Italia. Istituto Nazionale di Fisica Nucleare; ItaliaFil: Anchordoqui, Luis A.. City University of New York; Estados UnidosFil: Andrada, Betiana Eugenia. Universidad Nacional de San Martín; ArgentinaFil: Andringa, S.. Instituto Superior Tecnico; PortugalFil: Aramo, C.. Istituto Nazionale di Fisica Nucleare; ItaliaFil: Araújo Ferreira, P. R.. Rwth Aachen University; AlemaniaFil: Asorey, H.. Universidad Nacional de San Martín; ArgentinaFil: Assis, P.. Instituto Superior Tecnico; PortugalFil: Avila, G.. Observatorio Pierre Auger; ArgentinaFil: Badescu, A. M.. University Politehnica Of Bucharest; RumaniaFil: Bakalova, A.. The Czech Academy Of Sciences; República ChecaFil: Balaceanu, A.. “Horia Hulubei” National Institute for Physics and Nuclear Engineering, Bucharest-Magurele; RumaniaFil: Barbato, F.. Università degli Studi di Napoli Federico II; Italia. Istituto Nazionale di Fisica Nucleare; ItaliaFil: Barreira Luz, R. J.. Instituto Superior Tecnico; PortugalFil: Becker, K. H.. Bergische Universität Wuppertal; AlemaniaFil: Bellido, J. A.. University of Adelaide; AustraliaFil: Berat, C.. Universite Grenoble Alpes; FranciaFil: Bertaina, M. E.. Università di Torino; Italia. Istituto Nazionale di Fisica Nucleare; ItaliaFil: Bertou, Xavier Pierre Louis. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro; ArgentinaFil: Biermann, P. L.. Max Planck Institute For Radio Astronomy; AlemaniaFil: Bister, T.. Rwth Aachen University; AlemaniaFil: Gollan Scilipotti, Fernando Daniel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; Argentin

Calibration of the underground muon detector of the Pierre Auger Observatory

To obtain direct measurements of the muon content of extensive air showers with energy above 101 eV, the Pierre Auger Observatory is currently being equipped with an underground muon detector (UMD), consisting of 219 10 m2-modules, each segmented into 64 scintillators coupled to silicon photomultipliers (SiPMs). Direct access to the shower muon content allows for the study of both of the composition of primary cosmic rays and of high-energy hadronic interactions in the forward direction. As the muon density can vary between tens of muons per m close to the intersection of the shower axis with the ground to much less than one per m when far away, the necessary broad dynamic range is achieved by the simultaneous implementation of two acquisition modes in the read-out electronics: the binary mode, tuned to count single muons, and the ADC mode, suited to measure a high number of them. In this work, we present the end-to-end calibration of the muon detector modules: first, the SiPMs are calibrated by means of the binary channel, and then, the ADC channel is calibrated using atmospheric muons, detected in parallel to the shower data acquisition. The laboratory and field measurements performed to develop the implementation of the full calibration chain of both binary and ADC channels are presented and discussed. The calibration procedure is reliable to work with the high amount of channels in the UMD, which will be operated continuously, in changing environmental conditions, for several years.Fil: Aab, A.. Radboud Universiteit Nijmegen; Países BajosFil: Abreu, P.. Instituto Superior Tecnico; PortugalFil: Aglietta, M.. Istituto Nazionale di Astrofisica; Italia. Istituto Nazionale di Fisica Nucleare; ItaliaFil: Albury, J. M.. University of Adelaide; AustraliaFil: Allekotte, Ingomar. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro; ArgentinaFil: Almela, A.. Universidad Tecnológica Nacional; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica; ArgentinaFil: Alvarez Muñiz, J.. Universidad de Santiago de Compostela; EspañaFil: Alves Batista, R.. Radboud Universiteit Nijmegen; Países BajosFil: Anastasi, G. A.. Università di Torino; Italia. Istituto Nazionale di Fisica Nucleare; ItaliaFil: Anchordoqui, Luis A.. City University of New York; Estados UnidosFil: Andrada, B.. Comisión Nacional de Energía Atómica; ArgentinaFil: Andringa, S.. Instituto Superior Tecnico; PortugalFil: Aramo, C.. Istituto Nazionale di Fisica Nucleare; ItaliaFil: Araújo Ferreira, P. R.. Rwth Aachen University; AlemaniaFil: Arteaga Velázquez, J. C.. Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo; MéxicoFil: Asorey, Hernán Gonzalo. Comisión Nacional de Energía Atómica; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Assis, P.. Instituto Superior Tecnico; PortugalFil: Avila, G.. Comisión Nacional de Energía Atómica; ArgentinaFil: Badescu, A.M.. University Politehnica Of Bucharest; RumaniaFil: Bakalova, A.. Institute Of Physics Of The Czech Academy Of Sciences; República ChecaFil: Balaceanu, A.. “Horia Hulubei” National Institute for Physics and Nuclear Engineering; RumaniaFil: Barbato, F.. Laboratori Nazionali del Gran Sasso; Italia. Gran Sasso Science Institute; ItaliaFil: Barreira Luz, R. J.. Instituto Superior Tecnico; PortugalFil: Becker, K. H.. Bergische Universität Wuppertal; AlemaniaFil: Bellido, J. A.. Universidad Nacional de San Agustin de Arequipa; Perú. University of Adelaide; AustraliaFil: Berat, C.. Universite Grenoble Alpes; FranciaFil: Bertaina, M. E.. Università di Torino; Italia. Istituto Nazionale di Fisica Nucleare; ItaliaFil: Bertou, Xavier Pierre Louis. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Biermann, P. L.. Max Planck Institute For Radio Astronomy; AlemaniaFil: Gollan Scilipotti, Fernando Daniel. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Investigación y Aplicaciones No Nucleares. Gerencia Física (Centro Atómico Constituyentes). Proyecto Tandar; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentin

Extraction of the Muon Signals Recorded with the Surface Detector of the Pierre Auger Observatory Using Recurrent Neural Networks

We present a method based on the use of Recurrent Neural Networks to extract the muon component from the time traces registered with water-Cherenkov detector (WCD) stations of the Surface Detector of the Pierre Auger Observatory. The design of the WCDs does not allow to separate the contribution of muons to the time traces obtained from the WCDs from those of photons, electrons and positrons for all events. Separating the muon and electromagnetic components is crucial for the determination of the nature of the primary cosmic rays and properties of the hadronic interactions at ultra-high energies. We trained a neural network to extract the muon and the electromagnetic components from the WCD traces using a large set of simulated air showers, with around 450 000 simulated events. For training and evaluating the performance of the neural network, simulated events with energies between 1018.5, eV and 1020 eV and zenith angles below 60 degrees were used. We also study the performance of this method on experimental data of the Pierre Auger Observatory and show that our predicted muon lateral distributions agree with the parameterizations obtained by the AGASA collaboration