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Anisotropia de Raios C´osmicos

de Alt´ıssimas Energias no

Observat´orio Pierre Auger

Beatriz Blanco Siffert

Orientador : Jo˜ao Ramos Torres de Mello Neto

ANISOTROPIA DE RAIOS C OSMICOS DE ALT´ ´ISSIMAS

ENERGIAS NO OBSERVAT ORIO PIERRE AUGER´

Beatriz Blanco Siffert

Tese de Doutorado apresentada ao Programa de P´os-gradua¸c˜ao em F´ısica, Instituto de F´ısica, da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necess´arios `a obten¸c˜ao do t´ıtulo de Doutor em Ciˆencias (F´ısica).

Orientador: Jo˜ao Ramos Torres de Mello Neto

Rio de Janeiro Mar¸co de 2008

Siffert, Beatriz Blanco S573 Anisotropia de Raios C´osmicos de Alt´ıssimas Energias no Obser- vat´orio Pierre Auger / Beatriz Blanco Siffert. Rio de Janeiro: UFRJ/IF,

242f.: il.; 29,7 cm. Orientador: Jo˜ao Ramos Torres de Mello Neto Tese (doutorado) - UFRJ/ Instituto de F´ısica/ Programa de P´os- gradua¸c˜ao em F´ısica, 2008. Referˆencias Bibliogr´aficas: f. 230-242.

1. Raios C´osmicos. 2. Observat´orio Pierre Auger. 3. Isotropia.
2. N´ucleos de Gal´axias Ativos. I. Torres de Mello Neto, Jo˜ao Ramos. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Instituto de F´ısica, Pro- grama de P´os-gradua¸c˜ao em F´ısica. III. Anisotropia de Raios C´osmicos de Alt´ıssimas Energias no Observat´orio Pierre Auger.

Resumo

Anisotropia de Raios C´osmicos de Alt´ıssimas Energias no Observat´orio Pierre Auger

Beatriz Blanco Siffert Orientador: Jo˜ao Ramos Torres de Mello Neto

Resumo da Tese de Doutorado submetida ao Programa de P´os-gradua¸c˜ao em F´ısica, Instituto de F´ısica, da Universidade Federal do Rio de Janeiro - UFRJ, como parte dos requisitos necess´arios `a obten¸c˜ao do t´ıtulo de Doutor em Ciˆencias (F´ısica).

O observat´orio Pierre Auger, em fase final de constru¸c˜ao pr´oximo a cidade de Ma- larg¨ue, Argentina, j´a detectou mais raios c´osmicos de alt´ıssimas energias que qualquer outro experimento precedente. Al´em disso, as medidas feitas pelo observat´orio Auger s˜ao muito acuradas, j´a que ele utiliza duas t´ecnicas de detec¸c˜ao complementares. Em maio de 2007, a colabora¸c˜ao Auger estabeleceu a existˆencia de uma correla¸c˜ao entre as dire¸c˜oes de chegada dos eventos mais energ´eticos (E > 5 , 7 × 1019 eV) e posi¸c˜oes de n´ucleos de gal´axias ativos catalogados. Foi verificado que essa correla¸c˜ao ´e muito mais forte do que se esperaria de uma distribui¸c˜ao de eventos isotr´opicos. A determina¸c˜ao das fontes individuais de cada raio c´osmico n˜ao ´e ainda poss´ıvel, pois, as trajet´orias percorridas por eles sofrem deflex˜oes devidoa intera¸c˜ao com os campos magn´eticos gal´actico e extra-gal´actico e, atualmente, o cat´alogo que cont´em o maior n´umero de n´ucleos de gal´axias ativos ´e ainda incompleto em v´arias regi˜oes do c´eu. Dessa forma, a correla¸c˜ao encontrada evidencia a anisotropia das dire¸c˜oes de chegada dos raios c´osmicos mais energ´eticos, mas n˜ao ´e suficiente para garantir que n´ucleos de gal´axias ativos s˜ao as suas fontes.

Abstract

Ultra-High Energy Cosmic Rays Anisotropy with the Pierre Auger Observatory

Beatriz Blanco Siffert Orientador: Jo˜ao Ramos Torres de Mello Neto

Abstract da Tese de Doutorado submetida ao Programa de P´os-gradua¸c˜ao em F´ısica, Instituto de F´ısica, da Universidade Federal do Rio de Janeiro - UFRJ, como parte dos requisitos necess´arios `a obten¸c˜ao do t´ıtulo de Doutor em Ciˆencias (F´ısica).

The Pierre Auger observatory, under construction next to the city of Malarg¨ue, Argentina, has already detected more ultra-high energy cosmic rays than any other preceding experiment. The measurements performed by the Auger observatory are very accurate, since it counts with two complementary detection techniques. In May, 2007, the Auger collaboration established the existence of a correlation between the arrival directions of the most energetic events (E > 5. 7 × 1019 eV) and the positions of catalogued active galactic nuclei. It was shown that this correlation is much stronger than what is expected from an isotropic set of events. The determination of the sources of each individual cosmic ray is still not possible, since its trajectory suffers deflections due to the interaction with the galactic and extragalactic magnetic fields and, currently the vastest catalogue of active galactic nuclei is still very incomplete in several regions of the sky. Therefore, the correlation found establishes the anisotropy in the arrival directions of the most energetic cosmic rays, but it does not guarantee that active galactic nuclei are their sources. The goals of my work are to confirm the anisotropy result and to study the possi- ble sources of the highest energy cosmic rays. I applied statistical tests independent

of any astronomical catalogue to confirm the anisotropy found. I analysed several ca- talogues of astrophysical objects, considered as potential accelerators of cosmic rays, and the distribution of matter in large scale, as resulted of constrained simulations, in search for correlations with the events detected by the Auger observatory as strong or stronger than the one found with the active galactic nuclei.

Key-words: cosmic rays, Pierre Auger observatory, isotropy, active galactic nuclei.

Rio de Janeiro Mar¸co de 2008

Para os meus pais.

Conte´udo

• Introducao
• 1 Raios C´osmicos de Alt´ıssimas Energias
  • 1.1 O Espectro de Energia
  • 1.2 O Efeito GZK
  • 1.3 A Composi¸c˜ao do Espectro
  • 1.4 Propaga¸c˜ao
  • 1.5 Mecanismos de Acelera¸c˜ao
    • 1.5.1 Modelos Top-Down
    • 1.5.2 Modelos Bottom-Up
  • 1.6 Candidatos a Aceleradores
  • 1.7 Detec¸c˜ao de Raios C´osmicos
    • 1.7.1 Cintiladores
    • 1.7.2 Detectores de Radia¸c˜ao Cherenkov
    • 1.7.3 Detectores de Fluorescˆencia
  • 1.8 Anisotropia de Raios C´osmicos
    • 1.8.1 Excesso na Dire¸c˜ao do Centro Gal´actico
    • 1.8.2 Estruturas em Pequena Escala
    • 1.8.3 Correla¸c˜oes com Objetos BL Lacertae
• 2 O Observat´orio Pierre Auger
  • 2.1 Detectores de Superf´ıcie
    • 2.1.1 Descri¸c˜ao
    • 2.1.2 Calibra¸c˜ao e Monitoramento
    • 2.1.3 Sele¸c˜ao de Eventos
    • 2.1.4 Reconstru¸c˜ao dos Parˆametros do Chuveiro
  • 2.2 Detectores de Fluorescˆencia
    • 2.2.1 Descri¸c˜ao
    • 2.2.2 Calibra¸c˜ao e Monitoramento
    • 2.2.3 Sele¸c˜ao de Eventos
    • 2.2.4 Reconstru¸c˜ao dos Parˆametros do Chuveiro
  • 2.3 Reconstru¸c˜ao H´ıbrida
  • 2.4 Resolu¸c˜ao Angular
  • 2.5 Exposi¸c˜ao Relativa para UHECRs
  • N´ucleos de Gal´axias Ativos 3 Correla¸c˜ao entre as Dire¸c˜oes de Chegada de UHECRs e Posi¸c˜oes de
  • 3.1 N´ucleos de Gal´axias Ativos
  • 3.2 An´alise Explorat´oria - e V´eron 3.2.1 12 a Edi¸c˜ao do Cat´alogo de Quasares e AGN, por V´eron-Cetty
    • 3.2.2 M´etodo e Resultado
  • 3.3 Confirma¸c˜ao do Resultado
  • 3.4 An´alise de Todos os Eventos
  • 3.5 Discuss˜ao
• 4 Testes Estat´ısticos de Anisotropia
  • 4.1 Fun¸c˜ao de Correla¸c˜ao Angular entre Dois Pontos
  • 4.2 Espectro Angular de Potˆencia
  • 4.3 Teste de Rayleigh
  • 4.4 Teste de Rayleigh Modificado
  • 4.5 Conclus˜ao
• 5 An´alise da Correla¸c˜ao com N´ucleos de Gal´axias Ativos - AGN sejam as Fontes 5.1 Compatibilidade entre a Distribui¸c˜ao dos Eventos e a Hip´otese de que - 5.1.1 Distribui¸c˜ao Espacial - 5.1.2 Distribui¸c˜ao do Desvio para o Vermelho - 5.1.3 Distribui¸c˜ao das Magnitudes Aparente e Absoluta - 5.1.4 Discuss˜ao
  • 5.2 Cat´alogo de AGN BAT-Swift
  • 5.3 Conclus˜ao
  • Fontes de UHECRs 6 Correla¸c˜ao com Outras Estruturas no Universo: An´alise de Poss´ıveis
  • 6.1 Estrutura do Universo em Larga Escala
    • 6.1.1 M´etodo I
    • 6.1.2 M´etodo II
    • 6.1.3 Compara¸c˜ao entre os Dois Resultados
  • 6.2 Cat´alogos de Objetos Astrof´ısicos
    • 6.2.1 Aglomerados de Gal´axias
    • 6.2.2 Gal´axias Starburst
    • 6.2.3 Cat´alogo de Gal´axias IRAS PSCz
  • 6.3 Discuss˜ao
• Conclusao
  • de Part´ıculas de Mat´eria Escura em Halos de Gal´axias A Detec¸c˜ao pelo Observat´orio Pierre Auger de UHECRs Provenientes
  • A.1 Perfis de Densidade de Mat´eria Escura
  • A.2 Estimativa do Fluxo
  • A.3 Resultados
  • A.4 Conclus˜ao
• B Objetos Compactos Carregados e Acelera¸c˜ao de Raios C´osmicos
  • B.1 A Estrutura de Objetos Compactos Carregados
  • B.2 Resolvendo as Equa¸c˜oes
  • B.3 Resultados
    • B.3.1 Estabilidade
    • B.3.2 Regenera¸c˜ao de Carga
    • B.3.3 O Valor Cr´ıtico de f
  • B.4 Conclus˜ao
• C Sistemas de Coordenadas e Proje¸c˜oes da Esfera Celeste
  • C.1 Sistemas de Coordenadas
    • C.1.1 Coordenadas Horizontais
    • C.1.2 Coordenadas Equatoriais
    • C.1.3 Coordenadas Gal´acticas
  • C.2 Proje¸c˜oes da Esfera
    • C.2.1 Proje¸c˜ao de Hammer-Aitoff
    • C.2.2 Proje¸c˜ao de Mollweide
  • Raios C´osmicos com Baixas Energias D Exposi¸c˜ao dos Detectores de Superf´ıcie do Observat´orio Auger para
  • D.1 M´etodo de Shuffling
  • D.2 M´etodo Semi-Anal´ıtico

1.6 Espectro de energia medido pelo observat´orio Auger, multiplicado por E^3. Os triˆangulos mostram o espectro obtido com eventos medidos pelos detectores de superf´ıcie (em preto eventos com ˆangulo zenital θ < 60 ◦^ e em azul eventos com 60◦^ < θ < 80 ◦). Os c´ırculos vermelhos mostram o espectro obtido com eventos h´ıbridos. Figura retirada de [18]. 45 1.7 N´umero de el´etrons no chuveiro como fun¸c˜ao da profundidade na at- mosfera obtido atrav´es do programa CORSIKA, utilizando o modelo de intera¸c˜oes hadrˆonicas QGSJET. Trˆes tipos de prim´arios s˜ao simu- lados, pr´otons, f´otons e n´ucleos de ferro e, para cada um deles, s˜ao mostrados 10 chuveiros. Figura retirada de [25]............. 48 1.8 Comportamento de 〈Xmax〉 como fun¸c˜ao da energia obtido pelo obser- vat´orio Auger comparado com o esperado por diferentes modelos de intera¸c˜oes hadrˆonicas para pr´otons e n´ucleos de ferro. Os n´umeros em cima de cada ponto experimental indicam o n´umero de eventos com o qual ele foi obtido. Figura retirada de [34]................ 49 1.9 Limites superiores para a fra¸c˜ao (1.9(a)) e o fluxo (1.9(b)) de f´otons impostos pelo observat´orio Auger e outros experimentos. Os limites obtidos pelo Auger com os eventos detectados pelos detectores de su- perf´ıcie s˜ao mostrados em preto. A, HP e Y se referem aos experi- mentos AGASA, Haverah Park e Yakutsk, respectivamente. FD se refere ao limite imposto pelo Auger com eventos h´ıbridos. S˜ao mostra- das tamb´em as previs˜oes te´oricas para f´otons em modelos top-down de produ¸c˜ao de UHECRs. SHDM e TD referem-se a modelos baseados em mat´eria escura supermassiva e defeitos topol´ogicos, respectivamente. Figuras retiradas de [40].......................... 51

1.10 Comprimento de intera¸c˜ao de f´otons, pr´otons e n´ucleos de ferro, inte- ragindo com a radia¸c˜ao de fundo, tanto em microondas (CMB), quanto em infravermelho (IR) e r´adio. A linha tracejada e pontilhada delineia o limite superior absoluto para a distˆancia que uma part´ıcula pode viajar em dire¸c˜ao `a Terra, independentemente da sua energia inicial. Figura retirada de [42]........................... 52 1.11 Mapa em coordenadas gal´acticas (ver apˆendice C) das deflex˜oes so- fridas por pr´otons detectados na Terra com energia de 4 × 1019 eV devido aos campos magn´eticos extra-gal´acticos de toda a estrutura do universo a distˆancias de at´e 107 Mpc. As posi¸c˜oes de alguns aglome- rados s˜ao indicadas. A posi¸c˜ao do anti-centro gal´actico se encontra no centro do mapa. Figura retirada de [44]................. 54 1.12 Alguns candidatos a aceleradores de UHECRs, de acordo com seu ta- manho e campo magn´etico. As retas representam a condi¸c˜ao 1.5 para um n´ucleo de ferro de energia 100 EeV (linha verde), um pr´oton de 100 EeV (linha tracejada vermelha) e um pr´oton de 10^21 eV (linha cont´ınua vermelha). Da esquerda para a direita, os candidatos que aparecem na figura s˜ao: estrelas de nˆeutrons, explos˜oes de raios-γ, estrelas an˜as brancas, n´ucleos de gal´axias ativos, remanescentes de explos˜oes su- pernovae, lobos de r´adio-gal´axias, colis˜oes de gal´axias, disco e halo gal´actico e aglomerados de gal´axias. Indicados com um X est˜ao a ne- bulosa do Carangueijo, uma regi˜ao remanescente de uma supernova, e o aglomerado de Virgem. Figura retirada de [54]............ 59

1.17 Fun¸c˜ao de autocorrela¸c˜ao como fun¸c˜ao da separa¸c˜ao angular α para os 27 eventos detectados pelo observat´orio Auger at´e 31 de agosto de 2007 com E ≥ 5 , 7 × 1019 eV (pontos). Os pontos com barras de erro mos- tram a autocorrela¸c˜ao estimada para uma distribui¸c˜ao isotr´opica com a faixa de 90% de n´ıvel de confian¸ca, obtidas atrav´es de simula¸c˜oes. Figura retirada de [98]........................... 76 1.18 N´umero de correla¸c˜oes encontrado com os eventos do observat´orio Au- ger para diferentes valores da separa¸c˜ao angular m´axima e limite infe- rior de energia. A linha s´olida mostra o n´umero de correla¸c˜oes m´edio obtido atrav´es de simula¸c˜oes de conjuntos de eventos isotr´opicos. As barras indicam flutua¸c˜oes em 95% das simula¸c˜oes. Figuras retiradas de [106]................................... 80

2.1 Disposi¸c˜ao dos detectores de radia¸c˜ao Cherenkov (pontos azuis) no s´ıtio sul do observat´orio Auger, quando este estiver completo. S˜ao mostrados tamb´em as posi¸c˜oes dos 4 edif´ıcios de fluorescˆencia em torno da ´area ocupada pelo SD. Figura retirada de [108]........... 83 2.2 Detector de superf´ıcie em funcionamento e sua composi¸c˜ao interna. Ao fundo, a cordilheira dos Andes. Figura retirada de [109]........ 84 2.3 Sinal na esta¸c˜ao como fun¸c˜ao de r para um evento detectado pelo observat´orio Auger. As diversas curvas ajustadas mostram o resul- tado da reconstru¸c˜ao para diferentes valores da inclina¸c˜ao da LDF, β. Pontos vermelhos indicam esta¸c˜oes com sinal zero. O gr´afico menor, no canto superior direito, mostra o valor ´otimo de r como fun¸c˜ao do espa¸camento entre os detectores. Figura retirada de [119]....... 89 2.4 Aproxima¸c˜ao da frente do chuveiro por um plano. Figura retirada de [122]................................... 91

2.5 Detectores de fluorescˆencia. Em 2.5(a), vemos o edif´ıcio Los Leones por fora. Como a foto foi tirada durante o dia, as janelas est˜ao fecha- das para proteger os telesc´opios da luz externa. Em 2.5(b) vemos a disposi¸c˜ao da cˆamera e do espelho de um telesc´opio em frente `a janela. Figuras retiradas de [124]......................... 93 2.6 Alguns exemplos de padr˜oes formados por 5 PMTs que s˜ao aceitos pelo gatilho SLT. Figura retirada de [127]................... 96 2.7 Tra¸co no detector de fluorescˆencia causado por um evento real medido pelo observat´orio Auger. As cores indicam o tempo no qual cada PMT foi disparada (azul indica as PMTs que foram disparadas mais cedo e vermelho as que foram disparadas mais tarde). A linha vermelha mostra a posi¸c˜ao reconstru´ıda do SDP. Figura retirada de [109].... 97 2.8 Parˆametros envolvidos na reconstru¸c˜ao da geometria de um chuveiro por um detector de fluorescˆencia. Figura retirada de [109]....... 99 2.9 Compara¸c˜ao entre a reconstru¸c˜ao da geometria do chuveiro pelo m´etodo h´ıbrido e mono. Os asteriscos pretos e brancos representam o valor reconstru´ıdo de Rp e χ 0 para a reconstru¸c˜ao mono e h´ıbrida, respecti- vamente. As elipses demarcam a incerteza de 1σ para cada resultado. Figura retirada de [129].......................... 101 2.10 Resolu¸c˜ao angular de eventos detectados somente pelo SD como fun¸c˜ao do ˆangulo zenital, para diferentes multiplicidades de esta¸c˜oes dispara- das. Figura retirada de [132]....................... 103 2.11 Exposi¸c˜ao relativa do observat´orio Auger sul como fun¸c˜ao de sen(δ), para raios c´osmicos com energias E > 3 EeV.............. 106