Influência da física difrativa em chuveiros atmosféricos extensos ultraenergéticos

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1 Influência da física difrativa em chuveiros atmosféricos extensos ultraenergéticos Luan Arbeletche Orientador: Victor Gonçalves Coorientador: Márcio Müller Grupo de Altas e Médias Energias (GAME) Programa de Pós-graduação em Física Universidade Federal de Pelotas 21 de março de 2016 Luan Arbeletche Influência da física difrativa em chuveiros atmosféricos extensos ultraenergéticos 1 / 18

2 Sumário Disciplinas e eventos Motivação Objetivos e Metodologia Resultados preliminares Conclusões Próximos passos Referências Luan Arbeletche Influência da física difrativa em chuveiros atmosféricos extensos ultraenergéticos 2 / 18

3 Disciplinas e eventos 1 o semestre: Mecânica estatística Mecânica quântica Seminários de Física de Partículas e Hádrons 2 o semestre: Estágio docente Seminários de Física de Partículas e Hádrons Teoria eletromagnética Teoria quântica de campos 3 o semestre: Dissertação de mestrado Tópicos em física de partículas e hádrons Eventos: Março 2015: Monte Carlo School on Event Generators (ICTP - SAIFR) Luan Arbeletche Influência da física difrativa em chuveiros atmosféricos extensos ultraenergéticos 3 / 18

4 Motivação Qual é a influência da física difrativa sobre observáveis de raios cósmicos ultraenergéticos - de até ev? Luan Arbeletche Influência da física difrativa em chuveiros atmosféricos extensos ultraenergéticos 4 / 18

5 Motivação Qual é a influência da física difrativa sobre observáveis de raios cósmicos ultraenergéticos - de até ev? É possível estimar as incertezas sistemáticas na interpretação de dados dos raios cósmicos mais energéticos devido à modelagem e simulação da física hadrônica difrativa? Luan Arbeletche Influência da física difrativa em chuveiros atmosféricos extensos ultraenergéticos 4 / 18

6 Motivação Qual é a influência da física difrativa sobre observáveis de raios cósmicos ultraenergéticos - de até ev? É possível estimar as incertezas sistemáticas na interpretação de dados dos raios cósmicos mais energéticos devido à modelagem e simulação da física hadrônica difrativa? Quais observáveis de Raios Cósmicos são mais sensíveis à alterações nos modelos teóricos de física de altas energias? Luan Arbeletche Influência da física difrativa em chuveiros atmosféricos extensos ultraenergéticos 4 / 18

7 Raios Cósmicos Raios Cósmicos (RCs): radiação cósmica com energias de até E p ev Figura 1: Espectro de Raios Cósmicos 1 1 Engel et al Luan Arbeletche Influência da física difrativa em chuveiros atmosféricos extensos ultraenergéticos 5 / 18

8 Raios Cósmicos Raios Cósmicos (RCs): radiação cósmica com energias de até E p ev Figura 1: Espectro de Raios Cósmicos 1 Os RCs mais energéticos são detectados indiretamente 1 Engel et al Luan Arbeletche Influência da física difrativa em chuveiros atmosféricos extensos ultraenergéticos 5 / 18

9 Chuveiros atmosféricos extensos Deteção de Chuveiros Atmosféricos Extensos - CAEs Figura 2: Técnicas de detecção de CAEs. Os detectores de fluorescência tem um ciclo de trabalho de 10%. Luan Arbeletche Influência da física difrativa em chuveiros atmosféricos extensos ultraenergéticos 6 / 18

10 Chuveiros atmosféricos extensos Deteção de Chuveiros Atmosféricos Extensos - CAEs Figura 2: Técnicas de detecção de CAEs. Os detectores de fluorescência tem um ciclo de trabalho de 10%. A interpretação dos dados de observatórios depende da comparação com simulações computacionais dos chuveiros. Luan Arbeletche Influência da física difrativa em chuveiros atmosféricos extensos ultraenergéticos 6 / 18

11 Simulação e detecção de CAEs As simulações devem prever simultaneamente todas as características globais de um CAE - Perfil longitudinal (X max) - Distribuição lateral - Componente muônica Luan Arbeletche Influência da física difrativa em chuveiros atmosféricos extensos ultraenergéticos 7 / 18

12 Simulação e detecção de CAEs As simulações devem prever simultaneamente todas as características globais de um CAE - Perfil longitudinal (X max) - Distribuição lateral - Componente muônica Luan Arbeletche Influência da física difrativa em chuveiros atmosféricos extensos ultraenergéticos 7 / 18

13 Simulação e detecção de CAEs As simulações devem prever simultaneamente todas as características globais de um CAE - Perfil longitudinal (X max) - Distribuição lateral - Componente muônica Luan Arbeletche Influência da física difrativa em chuveiros atmosféricos extensos ultraenergéticos 7 / 18

14 Simulação e detecção de CAEs As simulações devem prever simultaneamente todas as características globais de um CAE - Perfil longitudinal (X max) - Distribuição lateral - Componente muônica Luan Arbeletche Influência da física difrativa em chuveiros atmosféricos extensos ultraenergéticos 7 / 18

15 Simulação e detecção de CAEs As simulações devem prever simultaneamente todas as características globais de um CAE - Perfil longitudinal (X max) - Distribuição lateral - Componente muônica A maior fonte de incertezas na interpretação de dados está na modelagem de interações hadrônicas... Luan Arbeletche Influência da física difrativa em chuveiros atmosféricos extensos ultraenergéticos 7 / 18

16 Difração...e, em particular, da física hadrônica difrativa! Difração: Reações nas quais não há trocas de números quânticos entre as partículas que estão interagindo. Difrativo: troca de n os quânticos do vácuo Não-difrativo: troca de cor Figura 3: Interações difrativas são mediadas pela troca de pomerons. Luan Arbeletche Influência da física difrativa em chuveiros atmosféricos extensos ultraenergéticos 8 / 18

17 Difração...e, em particular, da física hadrônica difrativa! Difração: Reações nas quais não há trocas de números quânticos entre as partículas que estão interagindo. Difrativo: troca de n os quânticos do vácuo Não-difrativo: troca de cor Figura 3: Interações difrativas são mediadas pela troca de pomerons. São processos essecialmente soft, com baixa troca de momento - t pequeno. Luan Arbeletche Influência da física difrativa em chuveiros atmosféricos extensos ultraenergéticos 8 / 18

18 Difração Interações difrativas nos interessam por: - Constituirem fração apreciável da seção de choque total σ tot = σ dif + σ nd Figura 4: Na prática, a difração é detectada em termos de gaps de rapidez. Luan Arbeletche Influência da física difrativa em chuveiros atmosféricos extensos ultraenergéticos 9 / 18

19 Difração Interações difrativas nos interessam por: - Constituirem fração apreciável da seção de choque total - Produzirem secundários altamente energéticos na região frontal σ tot = σ dif + σ nd dσ dif dt e B t t = (p 1 p 3) 2 = (p 2 p 4) 2 Figura 4: Na prática, a difração é detectada em termos de gaps de rapidez. Luan Arbeletche Influência da física difrativa em chuveiros atmosféricos extensos ultraenergéticos 9 / 18

20 Difração Interações difrativas nos interessam por: - Constituirem fração apreciável da seção de choque total - Produzirem secundários altamente energéticos na região frontal - São tratadas por modelos fenomenológicos σ tot = σ dif + σ nd dσ dif dt e B t t = (p 1 p 3) 2 = (p 2 p 4) 2 Figura 4: Na prática, a difração é detectada em termos de gaps de rapidez. Luan Arbeletche Influência da física difrativa em chuveiros atmosféricos extensos ultraenergéticos 9 / 18

21 Objetivos e metodologia Testar modelos de física hadrônica para Raios Cósmicos - difração EPOS LHC QGSJET-II 04 Sibyll 2.1 Luan Arbeletche Influência da física difrativa em chuveiros atmosféricos extensos ultraenergéticos 10 / 18

22 Objetivos e metodologia Testar modelos de física hadrônica para Raios Cósmicos - difração EPOS LHC QGSJET-II 04 Sibyll 2.1 Estudar o impacto da difração sobre os observáveis em simulações de CAEs EPOS LHC CORSIKA + QGSJET-II 04 Incluindo e excluindo difração Sibyll 2.1 Luan Arbeletche Influência da física difrativa em chuveiros atmosféricos extensos ultraenergéticos 10 / 18

23 Objetivos e metodologia Testar modelos de física hadrônica para Raios Cósmicos - difração EPOS LHC QGSJET-II 04 Sibyll 2.1 Estudar o impacto da difração sobre os observáveis em simulações de CAEs EPOS LHC CORSIKA + QGSJET-II 04 Incluindo e excluindo difração Sibyll 2.1 Extrapolar os modelos disponíveis acima dos limites do LHC EPOS LHC CONEX + QGSJET-II 04 Sibyll 2.1 Acima de um limiar E limiar : x novo = f (E, f 19) x log f (E, f 19) = 1 + (f 19 1) 10 (E/E limiar ) log 10 (10EeV /E limiar ) Seção de choque total e difrativa, multiplicidade, elasticidade, razão carga de π e produção de ρ 0. Luan Arbeletche Influência da física difrativa em chuveiros atmosféricos extensos ultraenergéticos 10 / 18

24 Resultados 1: Colisões individuais Frequency GeV 1 TeV PeV EPOS LHC QGSJET II Sibyll 2.1 Frequency Frequency N sec N sec N sec Figura 5: Distribuições de secundários em colisões p-ar. Luan Arbeletche Influência da física difrativa em chuveiros atmosféricos extensos ultraenergéticos 11 / 18

25 Resultados 1: Colisões individuais Frequency GeV 1 TeV PeV EPOS LHC QGSJET II Sibyll 2.1 Frequency Frequency N sec N sec N sec Figura 5: Distribuições de secundários em colisões p-ar Mean N sec EPOS LHC QGSJET II Sibyll 2.1 EPOS LHC (ND) QGSJET II (ND) Sibyll 2.1 (ND) E prim [GeV] Figura 6: Número médio (sobre 10 4 colisões) de secundários em função da energia primária. Luan Arbeletche Influência da física difrativa em chuveiros atmosféricos extensos ultraenergéticos 11 / 18

26 Resultados 1: Colisões individuais 0.4 Fraction of diffractive events EPOS LHC QGSJET II Sibyll E prim [GeV] Figura 7: Fração de eventos difrativos. Luan Arbeletche Influência da física difrativa em chuveiros atmosféricos extensos ultraenergéticos 12 / 18

27 Resultados 1: Colisões individuais 0.4 Fraction of diffractive events EPOS LHC QGSJET II Sibyll E prim [GeV] Figura 7: Fração de eventos difrativos. F diff σ diff σ tot Luan Arbeletche Influência da física difrativa em chuveiros atmosféricos extensos ultraenergéticos 12 / 18

28 Resultados 1: Colisões individuais 0.4 Fraction of diffractive events EPOS LHC QGSJET II Sibyll E prim [GeV] Figura 7: Fração de eventos difrativos. F diff σ diff σ tot Mean pion fraction EPOS LHC QGSJET II Sibyll 2.1 EPOS LHC (ND) QGSJET II (ND) Sibyll 2.1 (ND) E prim [GeV] Figura 8: Fração de píons produzidos. Luan Arbeletche Influência da física difrativa em chuveiros atmosféricos extensos ultraenergéticos 12 / 18

29 Resultados 1: Colisões individuais 0.4 EPOS LHC QGSJET II Fraction of diffractive events Sibyll 2.1 π + µ + + ν µ π µ + ν µ π 0 2γ E prim [GeV] Figura 7: Fração de eventos difrativos. F diff σ diff σ tot Mean pion fraction EPOS LHC QGSJET II Sibyll 2.1 EPOS LHC (ND) QGSJET II (ND) Sibyll 2.1 (ND) E prim [GeV] Figura 8: Fração de píons produzidos. Luan Arbeletche Influência da física difrativa em chuveiros atmosféricos extensos ultraenergéticos 12 / 18

30 Resultados 2: Física difrativa e observáveis (CORSIKA) Figura 9: Perfil médio de 1000 chuveiros iniciados por p e Fe a ev. As linhas tracejadas são de simulações que não incluem difração. Luan Arbeletche Influência da física difrativa em chuveiros atmosféricos extensos ultraenergéticos 13 / 18

31 Resultados 2: Física difrativa e observáveis (CORSIKA) Modelo Proton Proton (ND) Ferro Ferro (ND) EPOS LHC QGSJET-II Sibyll Quadro 1: X max em g/cm 2 Luan Arbeletche Influência da física difrativa em chuveiros atmosféricos extensos ultraenergéticos 14 / 18

32 Resultados 3: Extrapolações (CONEX) Chuveiros iniciados por prótons a ev Limiar de extrapolação em ev Figura 10: Impacto das extrapolações na produção de partículas do modelo QGSJET-II sobre X max e seu desvio RMS. Luan Arbeletche Influência da física difrativa em chuveiros atmosféricos extensos ultraenergéticos 15 / 18

33 Resultados 3: Extrapolações (CONEX) Chuveiros iniciados por prótons a ev Limiar de extrapolação em ev Figura 10: Impacto das extrapolações na produção de partículas do modelo QGSJET-II sobre X max e seu desvio RMS. Temos resultados para os outros modelos EPOS LHC e Sibyll 2.1 Luan Arbeletche Influência da física difrativa em chuveiros atmosféricos extensos ultraenergéticos 15 / 18

34 Conclusões - Produção de partículas - diferenças quando à difração Luan Arbeletche Influência da física difrativa em chuveiros atmosféricos extensos ultraenergéticos 16 / 18

35 Conclusões - Produção de partículas - diferenças quando à difração - Existe um impacto apreciável da física difrativa sobre observáveis de CAEs Luan Arbeletche Influência da física difrativa em chuveiros atmosféricos extensos ultraenergéticos 16 / 18

36 Conclusões - Produção de partículas - diferenças quando à difração - Existe um impacto apreciável da física difrativa sobre observáveis de CAEs - Faltam análises e resultados para outras energias (superiores) Luan Arbeletche Influência da física difrativa em chuveiros atmosféricos extensos ultraenergéticos 16 / 18

37 Conclusões - Produção de partículas - diferenças quando à difração - Existe um impacto apreciável da física difrativa sobre observáveis de CAEs - Faltam análises e resultados para outras energias (superiores) - Temos resultados das extrapolações - elas nos dão indicativos da dependência de observáveis em relação à modelagem de interações hadrônicas Luan Arbeletche Influência da física difrativa em chuveiros atmosféricos extensos ultraenergéticos 16 / 18

38 Próximos passos Trabalho de mestrado Estudar o impacto da física difrativa a ev Realizar as extrapolações com limiar a ev Iniciar a escrita da (pré) dissertação Eventos Xth International Conference on the Interconnection between Particle Physics and Cosmology (ICTP - SAIFR) Encontro Nacional de Física (SBF) Luan Arbeletche Influência da física difrativa em chuveiros atmosféricos extensos ultraenergéticos 17 / 18

39 Referências BAUS, C.; ENGEL, R.; ULRICH, R. Relation between hadronic interactions and ultra-high energy extensive air showers. EPJ Web of Conferences, v.99, ENGEL, R.; ULRICH, R.; UNGER, M. Hadronic Multiparticle Production at Ultra-High Energies and Extensive Air Showers. Physical Review D, Estados Unidos, v.83, 2011 ENGEL, R.; HECK, D.; PIEROG, T. Extensive Air Showers and Hadronic Interactions at High Energy. Annual Review of Nuclear and Particle Science, Estados Unidos, v.61, p , CANAL, C. A. G.; LUNA, R.; SCIUTTO, S. J.; ZEPEDA, A. Influence of diffractive interactions on cosmic ray air showers. Physical Review D, Estados Unidos, v.70, p.1-11, CAPDEVIELLE, J. N.; HECK, D.; KNAPP, J.; SCHATZ, G.; THOUW, T. CORSIKA: A Monte Carlo Code to Simulate Extensive Air Showers. Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, Karlsruhe LIPARI, P. Cosmic ray and hadronic interactions. In: XII Hadron Physics, Bento Gonçalves, AIP Conference Proceedings, Estados Unidos: AIP, v.1520, p.27-67, Luan Arbeletche Influência da física difrativa em chuveiros atmosféricos extensos ultraenergéticos 18 / 18

40 Agradecimentos Grupo de Altas e Médias Energias GAME Luan Arbeletche Influência da física difrativa em chuveiros atmosféricos extensos ultraenergéticos 19 / 18