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Título: Análise da composição dos raios cósmicos de ultra energéticos e sua relação com a radiação de fundo
Título(s) alternativo(s): Analysis of the composition of ultra-high energy cosmic rays and their relation to background radiation
Autor(es): Almeida, Clara Carolina de
Orientador(es): Anjos, Rita de Cássia dos
Palavras-chave: Raios cósmicos - Detecção
Raios cósmicos - Composição
Radiação cósmica de fundo
Observatórios de Astronomia de Alta Energia
Simulação (Computadores)
Cosmic rays - Detection
Cosmic rays - Composition
Cosmic background radiation
High Energy Astronomy Observatories
Computer simulation
Data do documento: 31-Mar-2025
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: ALMEIDA, Clara Carolina de. Análise da composição dos raios cósmicos de ultra energéticos e sua relação com a radiação de fundo. 2025. Dissertação (Mestrado em Física e Astronomia) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2025.
Resumo: Este trabalho investiga os efeitos da luz extragaláctica de fundo (EBL), da radiação cósmica de fundo em rádio (CRB/URB) e da distância de propagação sobre a profundidade do máximo de desenvolvimento (Ĕmax) de chuveiros atmosféricos induzidos por raios cósmicos de ultra-alta energia (UHECRs). Utilizando simulações numéricas baseadas no código CRPropa 3, um amplo conjunto de partículas foi propagado desde sua emissão na fonte até sua interação com a atmosfera terrestre, considerando diferentes composições primárias e modelos físicos atualizados. Foram analisadas variações no espectro de energia e em Ĕmax, comparando diferentes cenários de propagação. Os resultados indicam que a escolha do modelo de EBL impacta significativamente Ĕmax, com variações de até 2,6% entre os modelos mais extremos, sendo o efeito mais acentuado para núcleos pesados como ferro e nitrogênio. Além disso, a distância de propagação influencia diretamente a profundidade do máximo, com diferenças que atingem 3,1% para distâncias superiores a 500 Mpc, demonstrando que interações acumuladas ao longo da trajetória modificam a composição dos UHECRs. A inclusão do CRB mostrou um efeito secundário, com impacto máximo de 0,7% em Ĕmax, sendo mais relevante para núcleos pesados devido à intensificação dos processos de fotodesintegração. A comparação com os dados experimentais do Observatório Pierre Auger reforça a importância dessas interações na reconstrução da composição primária dos UHECRs e na calibração de modelos de propagação. Os resultados deste estudo contribuem para uma melhor compreensão da influência dos fatores cosmológicos na evolução dos raios cósmicos de ultra-alta energia, auxiliando no refinamento de modelos teóricos aplicados à astrofísica de partículas.
Abstract: This work investigates the effects of extragalactic background light (EBL), cosmic radio background (CRB/URB), and propagation distance on the depth of maximum development (Ĕmax) of extensive air showers induced by ultra-high-energy cosmic rays (UHECRs). Using numerical simulations based on the CRPropa 3 code, a large set of particles was propagated from their emission at the source to their interaction with the Earth’s atmosphere, considering different primary compositions and updated physical models. Variations in the energy spectrum and Ĕmax were analyzed by comparing different propagation scenarios. The results indicate that the choice of the EBL model significantly affects Ĕmax, with variations of up to 2.6% between extreme models, with the most pronounced effects for heavy nuclei such as iron and nitrogen. Additionally, propagation distance directly influences the maximum depth, with differences reaching 3.1% for distances exceeding 500 Mpc, demonstrating that accumulated interactions along the trajectory modify the composition of UHECRs. The inclusion of CRB showed a secondary effect, with a maximum impact of 0.7% on Ĕmax, being more relevant for heavy nuclei due to enhanced photodisintegration processes. Comparison with experimental data from the Pierre Auger Observatory reinforces the importance of these interactions in reconstructing the primary composition of UHECRs and calibrating propagation models. The findings of this study contribute to a better understanding of the influence of cosmological factors on the evolution of ultra-high-energy cosmic rays, aiding in the refinement of theoretical models applied to particle astrophysics.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/38479
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