Solar modulation studies and proton-electron separation with the AMS/RICH detector

Miguel Reis Orcinha

Key information

Authors:

Miguel Reis Orcinha (Miguel Reis Orcinha)

Supervisors:

Maria Luisa Ferreira da Gama Velho Arruda (Maria Luisa Ferreira da Gama Velho Arruda); Fernando José De Carvalho Barão (Fernando José De Carvalho Barão)

Published in

11/10/2014

Abstract

This work seeks to interpret Solar modulation under the terms of Plasma Physics, study its impact on the cosmic ray flux and characterize the AMS-02 Ring-Imaging Cherenkov Detector (RICH) detector. This is achieved by estimating the Solar magnetic field (from a Solar wind hypothesis) and deducing the corresponding particle transport equation. The transport equation in question includes diffusion, particle drifts and the three-dimensional Heliospheric Current Sheet (HCS). Several solutions to the transport equation are presented (Force-Field, 1D and 2D), the corresponding numerical models are then explained and their results shown. These showed a strong agreement with AMS-02 proton flux. After Solar modulation is interpreted and duly simulated, the AMS-02 RICH detector is studied in order to estimate its velocity resolution. Finally, from the results of RICH resolution study, a particle estimator, is created in order to help particle identification and data selection. The simulations revealed to be in good agreement with the estimated proton flux from AMS-02 data and exhibited the expected high energy behaviour. The model for the RICH velocity resolution described the expected shape. By making use of Monte Carlo data, the estimator proved to be a good tool to identify protons at low rigidities (P < 15GV) but falls short at high rigidities in the discrimination aspect since the pdf functions between the different particles merge together for high velocity values. A cut was developed in order to keep the proton contamination lower than 1/100 for an electron selection. Using a new statistical variable, the model proved to have great discrimination power in the working regime. Este trabalho procura interpretar a modulação Solar dentro dos termos da Física de Plasmas, estudar o seu impacto no fluxo Galáctico de raios cósmicos e caracterizar o detector RICH de AMS-02. Este fá-lo através do cálculo do campo magnético Solar e da dedução da equação de transporte da densidade de raios cósmicos. A equação de transporte inclui difusão, deriva e a folha de corrente neutra heliosférica (HCS). Vários métodos foram usados para a resolução da equação de transporte (Force-Field, 1D e 2D), os correspondentes modelos numéricos foram deduzidos e os seus resultados discutidos. Os resultados das simulações revelaram um forte acordo com o fluxo de protões estimado a partir de dados de AMS-02 e exibe o esperado comportamento de altas energias. Em seguida, o detector RICH é estudado recorrendo ao fluxo de protões e estimar a sua resolução de medição. Finalmente, baseando-se nos resultados do estudo da resolução do RICH, um estimador de particulas, é criado para ajudar a separar partículas para ser usado em selecção de dados. O modelo do RICH estimou a resolução da velocidade com a forma esperada. Usando dados de Monte Carlo, o estimador provou ser uma ferramenta capaz de separar electrões de protões a baixa rigidez mas degenera para valores mais altos (P > 15 GV) dado que as diferentes funções de densidade de probabilidade fundem-se. Foi estimado também um corte em probabilidade que mantenha a contaminação de protões menor que 1/100 numa selecção de electrões. Usando ainda uma nova variável estatística, o modelo revelou ter grande poder de discriminação, dentro do regime de funcionamento.