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Type: TESE DIGITAL
Title: Atmospheric muonic lepton fluxes and their systematic uncertainties = Fluxos de léptons muônicos atmosféricos e suas incertezas sistemáticas
Title Alternative: Fluxos de léptons muônicos atmosféricos e suas incertezas sistemáticas
Author: Penha, Felipe Campos, 1987-
Advisor: Peres, Orlando Luís Goulart, 1969-
Abstract: Resumo: Estudamos o fluxo de léptons, no solo, gerados por colisões de núcleos de raios cósmicos com moléculas de ar da atmosfera. Estas colisões com frequência produzem hádrons instáveis que podem decair em léptons. Nosso foco é em múons e neutrinos muônicos produzidos deste modo a altas energias, isto é, de 100 GeV a 100 PeV, em energia do lépton. Acima de 100 TeV, o IceCube Neutrino Observatory apresenta evidência de neutrinos muônicos astrofísicos, com ruído de origem atmosférica. Desta forma, uma boa compreensão do fluxo de neutrinos muônicos atmosféricos e suas incertezas é fundamental para se aprofundar o conhecimento acerca dos neutrinos astrofísicos. Como uma contribuição original para a área, nós derivamos uma generalização das expressões analíticas dos fluxos convencionais, que têm origem no decaimento de $\pi^{\pm}$ e $K^{\pm}$. Tal generalização inclui os efeitos de um espectro primário de raios cósmicos, comumente conhecido como GST (Gaisser, Stanev e Tilav), e mantém as soluções na forma tradicional para todas as energias. Um ponto importante deste trabalho de doutorado é que baseamos nossos cálculos de fluxos atmosféricos no modelo de interações hadrônicas lançado recentemente chamado Sibyll2.3, que é uma atualização pós LHC (Large Hadron Collider) do modelo Sibyll2.1. Nossas soluções analíticas generalizadas nos permitem derivar uma propagação de erros baseada nas variações dos fatores $Z$, que são momentos do espectro de produção, devido à variedade dos resultados fornecidos pelos seguintes modelos contemporâneos de interações hadrônicas: DPMJet3.0-6, EposLHC, QGSJetII-04 e Sibyll2.3. Estes modelos são vinculados através de dados experimentais de produção frontal, os quais são escassos, e, portanto, não se é possível escolher a descrição física mais adequada. Também examinamos as incertezas devido a uma descrição incompleta do espectro primário de raios cósmicos, o que está relacionado com os erros na detecção e com a falta de conhecimento dos mecanismos de produção, aceleração e propagação de núcleos. Além disso, investigamos os fluxos prompt, que têm origem nos decaimentos de hádrons charmosos, a saber $D^{\pm}$, $D^{0}$, $D_{s}^{\pm}$ e $\Lambda_{c}^{+}$. Comparamos os resultados de dois modelos contemporâneos: Sibyll2.3 e GMS (Garzelli, Moch, and Sigl). Somando as componentes convencional e prompt obtidas neste trabalho, pudemos confrontar nosso fluxo de neutrinos muônicos atmosféricos com o do IceCube

Abstract: We study fluxes of leptons, on the ground, generated by the collision of cosmic ray nuclei with air molecules, in the atmosphere. These collisions often produce unstable hadrons which may decay into leptons. Our focus is on muons and muon neutrinos produced in this fashion, at very high energies, i.e. from 100 GeV to 100 PeV, in lepton energy. Above 100 TeV, IceCube Neutrino Observatory presents evidence of astrophysical muon neutrinos with a background of atmospheric origin. Thus, a good understanding of the atmospheric muon neutrino flux and its uncertainties is necessary for deepening the knowledge on astrophysical neutrinos. As an original contribution to the field, we derive a generalization of the analytical expressions for conventional fluxes, from the decay of $\pi^{\pm}$ and $K^{\pm}$. Such generalization includes the effects of a realistic primary spectrum of cosmic rays, commonly know as GST (Gaisser, Stanev, and Tilav), while keeping the solutions in the traditional format for all energies. An important point of this doctoral work is that we base our flux computations on the recently released hadronic interaction model Sibyll2.3, a post-LHC (Large Hadron Collider) update of Sibyll2.1. Our generalized analytical solutions allow us to derive an analytical error propagation based on the variations of $Z$-factors, which are moments of the production spectra, due to the variety of results provided by the following contemporary hadronic interaction models: DPMJet3.0-6, EposLHC, QGSJetII-04, and Sibyll2.3. These models are constrained by forward production experimental data, which are scarce and, thus, one cannot distinguish which model provides the most suitable physical description. Also, we examine the uncertainty due to an incomplete description of the primary flux of cosmic rays, related to the errors on detection and lack of knowledge on the production, acceleration, and propagation of nuclei. Furthermore, we investigate prompt fluxes, from the decay of charmed hadrons, namely $D^{\pm}$, $D^{0}$, $D_{s}^{\pm}$, and $\Lambda_{c}^{+}$. We compare results from two contemporary models: Sibyll2.3 and GMS (Garzelli, Moch, and Sigl). By adding up the conventional and prompt components obtained in this work, we were able to confront our muon neutrino flux with IceCube's
Subject: Neutrinos atmosféricos
Raios cósmicos
Hádrons
Language: Inglês
Editor: [s.n.]
Date Issue: 2017
Appears in Collections:IFGW - Tese e Dissertação

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