Sensitivity of MARTA station at the Pierre Auger Observatory to extensive air shower particle energy distributions

Mílton Correia de Freitas

Key information

Authors:

Mílton Correia de Freitas (Mílton Correia de Freitas)

Supervisors:

Ruben Maurício da Silva Conceição (Ruben Maurício da Silva Conceição); Pedro Jorge Dos Santos de Assis (Pedro Jorge Dos Santos de Assis)

Published in

December 6, 2023

Abstract

Uma estação de deteção de superfície (SD) no Observatório Pierre Auger equipada tanto com MARTA (Muon Array with RPCs for Tagging Air showers) como com um detetor de cintilação de superfície (SSD) oferece a oportunidade de realizar novos tipos de medições de raios cósmicos a altas energias. Este trabalho explora a possibilidade de utilizar uma estação que se encontre nestas condições para realizar uma medição da distribuição de energia das partículas de cascatas atmosféricas (EAS), para as componentes eletromagnéticas e muónicas da cascata. Neste trabalho é desenvolvido um método que permite modificar a distribuição de energia original obtida a partir das simulações e utilizá-la para testar a sensibilidade dos detetores. Aqui demonstra-se que tanto o detetor Cherenkov de água (WCD, acrónimo para Water Cherenkov Detetor) quanto o detetor de RPC (acrónimo para Resistive Plate Chambers) são sensíveis a modificações na região de altas energias da distribuição eletromagnética, especialmente em casos em que a estação se encontra próxima do centro da cascata. É também mostrado que estes dois detetores são sensíveis a modificações a regiões de baixas energias do espectro de energia da componente muónica da cascata. Por outro lado, o SSD é insensível à modificação desde que a modificação conserve o número total de partículas na distribuição. A análise aqui realizada é idealizada em função da estação Peter Mazur localizada no Observatório Pierre Auger, pois é atualmente a única estação equipada com o MARTA. A surface detector (SD) station at the Pierre Auger Observatory equipped with both MARTA (Muon Array with RPCs for Tagging Air showers) and a Surface Scintillation Detector (SSD) provides the opportunity for new unique measurements of ultra high energy cosmic rays. This work explores the possibility of using such a station to perform a measurement of the extensive air shower (EAS) particle energy distribution, for both the electromagnetic and muonic shower components. We develop a method to modify the original distribution obtained from the simulations and use it to test the sensitivity of the detectors. Following this, we show that both the water Cherenkov detector (WCD) and MARTA's resistive plate chamber (RPC) detector are sensitive to modifications to the high energy region of the electromagnetic distribution, especially in cases where the station is close to the core of the air shower. It is also shown that these two detectors are sensitive to changes to the low-energy region of the muon particle energy distribution. On the other hand, the SSD is insensitive to modifications to both components, as long as the total number of particles in the distribution is conserved. The analysis performed here is designed around the Peter Mazur station located at the infill array of the Pierre Auger Observatory, as it is currently the only station equipped with MARTA.