Απόδοση ατμοσφαιρικού φθορισμού κοσμικών ακτίνων υπερυψηλών ενεργειών: Φαινομενολογία και πειραματική μελέτη

Abstract

The experimental method by which might be derived the Atmospheric Fluorescence Yield (AFY) with an as high as possible high accuracy, is studied in this Thesis. One of the main goals of this work was the influence of the AFY parameter to the determination of the energy of the primary particles of the Ultra High Energy Cosmic Rays (UHECR). For this purpose, a set of simulations of Extensive Air Showers (EAS) produced by primary particles of various composition and energy have been carried out. In these simulations has been given emphasis on the parameterization of the EAS process and the most important methods presented in the literature have investigated by means of their reliability of the parameterization. A second goal concerned the development of a methodology and the appropriate instrumentation for the relative and absolute calibration of AFY in accelerator electron beams. A special prototype experimental setup of a stigmatic high-resolution UV spectrograph has been developed in the High Energy Laboratory. This setup gave us the possibility to study and test the experimental technique of the AFY determination in all its possible aspects. The detectors used in the spectrograph were CCD sensors cooled up to the liquid nitrogen temperatures. A set of measurements of nitrogen molecular spectra have been obtained determining also the rotational temperature. The later might be a reliable criterion of the air condition monitoring inside the air fluorescence chamber. For these measurements a low pressure spectral air lamp produced normal glow discharges was used either in direct configuration or via integrating sphere. For the absolute calibration of the prototype setup, two reasonable methods are proposed based on the above spectral lamp and also on the Chrenkov radiation emitted by the electron beam in accelerators.

Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε η πειραματική μέθοδος μέσω της οποίας μπορεί να προκύψει η Απόδοση του Ατμοσφαιρικού Φθορισμού (ΑΑΦ) με όσο το δυνατόν υψηλότερη ακρίβεια. Ένας πρώτος στόχος της εργασίας ήταν η επίδραση της αναφερόμενης παραμέτρου στον προσδιορισμό της ενέργειας των πρωτογενών σωματιδίων Κοσμικών Ακτινών Υπερυψηλών Ενεργειών (ΚΑΥΕ). Για το σκοπό αυτό πραγματοποιήθηκε σειρά προσομοιώσεων πρωτογενών σωματιδίων διαφορετικής σύστασης και διαφορετικής ενέργειας. Δόθηκε έμφαση στην παραμετροποίηση των διαμήκων κατανομών των αντίστοιχων Εκτεταμένων Ατμοσφαιρικών Καταιγισμών (ΕΑΚ) και διερευνήθηκαν οι προτεινόμενες μέθοδοι της βιβλιογραφίας ως προς την αξιοπιστία της παραμετροποίησης. Ο δεύτερος στόχος αφορούσε την ανάπτυξη μεθοδολογίας και κατάλληλης οργανολογίας για τη σχετική και απόλυτη μέτρηση της ΑΑΦ σε ηλεκτρονική δέσμη επιταχυντών. Μια πρότυπη ειδική διάταξη στιγματικού φασματογράφου υψηλής διακριτικής ικανότητας και ευαισθησίας που αναπτύχθηκε στο Εργαστήριο Φυσικής Υψηλών Ενεργειών, έδωσε τη δυνατότητα να μελετηθεί σε βάθος και σε όλες τις πτυχές της η πειραματική τεχνική για τη μέτρηση της ΑΑΦ. Οι ανιχνευτές που χρησιμοποιήθηκαν είναι αισθητήρες CCD υψηλής χωρικής διακριτικής ικανότητας με δυνατότητα ψύξης μέχρι και θερμοκρασία υγρού αζώτου. Πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις μοριακών φασμάτων αζώτου με προσδιορισμό της περιστροφικής θερμοκρασίας που μπορεί να αποτελέσει αξιόπιστο κριτήριο επισκόπησης των συνθηκών του θαλάμου εκπομπής του ατμοσφαιρικού φθορισμού. Για τις μετρήσεις αυτές χρησιμοποιήθηκε φασματική λυχνία ηλεκτρικής εκκένωσης φωτοβολίας με αέρα χαμηλής πίεσης με απευθείας δέσμη και μέσω σφαίρας ολοκλήρωσης. Για την απόλυτη μέτρηση της ΑΑΦ προτείνονται δύο αποτελεσματικές μέθοδοι που βασίζονται τόσο στη παραπάνω λυχνία όσο και στην ακτινοβολία Cherenkov που εκπέμπεται σε δέσμη ηλεκτρονίων επιταχυντών.