Phenomenology of the detection of ultra-high energy cosmic rays and neutrinos using the radio technique

Abstract

El proyecto de tesis se enmarca dentro del campo de la Astrofísica de Partículas, una de las ramas de la Física que está recibiendo más atención en la actualidad tanto a nivel teórico como experimental. Uno de sus objetivos fundamentales es el de determinar el origen y la naturaleza de las partículas subatómicas de muy alta energía que llegan a la Tierra, así como entender los mecanismos mediante los que se aceleran hasta alcanzar energías un millón de veces mayores que las energías que alcanzan los protones en el acelerador LHC en el CERN. El proyecto trata sobre el estudio a nivel fenomenológico de la llamada técnica de radio para la detección de partículas cósmicas ultra-energéticas (energías por encima de 10^18 eV), centrándose en la detección de rayos cósmicos y neutrinos. Al ser partículas neutras, los neutrinos apuntan directamente a la fuente donde fueron producidos y, debido a su baja probabilidad de interacción con la materia pueden venir de regiones del Universo muy alejadas o de altas densidades, aumentando de esta manera las posibilidades de observación astronómica de nuestro Universo. Sin embargo para su detección se necesitan enormes volúmenes de material. La técnica de radio consiste en la observación de pulsos de radiación Cherenkov a frecuencias de radio (MHz-GHz) emitidos por las cascadas de partículas a las que los neutrinos y rayos cósmicos dan lugar cuando interaccionan. A frecuencias de radio, la radiación se emite de manera coherente y la potencia generada es proporcional al cuadrado de la energía de la partícula incidente, haciendo que la técnica sea muy prometedora para la detección de partículas de muy altas energías. A esto hay que añadirle el hecho de que existen en la naturaleza enormes volúmenes de materials transparentes a la radiación a frecuencias de radio, tales como el hielo polar, la superficie de la Luna o la propia atmósfera. Son muchas las iniciativas experimentales que se basan en la técnica de radio, como por ejemplo los experimentos ARA (Askaryan Radio Array), sucesor de RICE; ARIANNA y ANITA (Antarctic Neutrino Impulsive Transient Array) que utilizan el hielo del Polo Sur como medio material. También existen macro-experimentos como SKA (Square Kilometer Array, en fase de desarrollo) o LOFAR (Low-Frequency Antenna Array) en Holanda. Por último, existen experimentos en los que se detecta la radiación a frecuencias de radio emitida por cascadas de partículas en la atmósfera como AERA (Auger Engineering Radio Array), LOPES (LOFAR PrototypE Station) o el propio LOFAR. A medida que las iniciativas experimentales son más abundantes y a la vez más ambiciosas, se necesitan cálculos más precisos a nivel teórico y por medio de simulaciones Monte Carlo de la radiación emitida por las cascadas iniciadas por distintos tipos de partícula en diferentes medios. Estas predicciones son imprescindibles para la interpretación de los datos obtenidos en los diferentes experimentos. Existen actualmente varios códigos de simulación Monte Carlo que permiten predecir la señal emitida por cascadas electromagnéticas en distintos medios densos y en la atmósfera, y por cascadas hadrónicas en hielo y en la atmósfera, tanto en el dominio de frecuencias (Fourier) como en el dominio temporal. En este proyecto se propone utilizarlos y modificarlos para desarrollar las siguientes líneas de investigación: 1) Caracterización de la radiación Cherenkov a frecuencias de radio emitida en cascadas iniciadas por rayos cósmicos y neutrinos. 2) Desarrollo de modelos simples para predecir el campo eléctrico de una cascada de partículas. 3) Estudio de la radiación de frenado molecular (molecular bremsstrahlung radiation, MBR) e interpretación de los datos de los experimentos AMY (Air Microwave Yield) y MAYBE (Microwave Air Yield Beam Experiment). 4) Estudio de la radiación emitida por las cascadas de partículas que se refleja en el suelo y se detecta a gran altitud, y su aplicación al experimento ANITA.