Purrello, Víctor H. (2014) Análisis de eventos atípicos detectados durante tormentas eléctricas en el observatorio Pierre Auger . / Study of strange events detected during thunderstorms in the Pierre Auger Observatory. Maestría en Ciencias Físicas, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro.
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Resumen en español
El detector de superficie del Observatorio Pierre Auger ha sido originalmente diseñado para estudiar las cascadas extendidas de partículas producidas por rayos cósmicos de ultra alta energía. Sin embargo se encontraron también eventos extraños que difieren en la escala temporal de las señales, en la distribución espacial de los detectores involucrados y que además registraron señales producidas por rayos en algunas estaciones. El fenómeno es observado en anillos de detectores con señales que duran ~ 10 μs mientras que los rayos cósmicos usualmente ocurren en ~ 0,1 μs. En el presente trabajo se han estudiado estos eventos con el fin de caracterizarlos y encontrar posibles correlaciones con tormentas eléctricas. Se desarrolló un algoritmo de búsqueda con el que se encontraron 34 eventos y en estos se analizó la forma de las señales, la propagación y la energía depositada. Se encontró que muchas de las señales, independientemente de su magnitud, se podían describir con una forma genérica. Se definieron así diferentes clases de eventos, según si correspondían o no a esa geometría estándar. Para las que sí lo hacían se estableció la evolución del ancho de las señales en función de su amplitud. Se realizaron ajustes empleando una fuente puntual y una propagación esférica de las señales, a la velocidad de la luz. De esa manera se obtuvieron buenos acuerdos entre los valores medidos y los ajustados, y se pudieron definir tiempos de inicio de los eventos con precisión de microsegundos. Estos fueron usados para buscar coincidencias con rayos detectados por la World Wide Lightning Location Network (WWLLN) a partir del 2009. Así se encontraron coincidencias a nivel de microsegundos para 2 eventos estudiados y de milisegundos para 2 eventos diferentes, de entre 10 que se pudieron considerar. También se realizaron ajustes para la energía depositada en los eventos, usando una función exponencial. Se vio que la nube de puntos presentaba una gran dispersión y al graficar la desviación del ajuste en función de la posición, se concluyó que los fenómenos no eran isotrópicos. Además se obtuvieron longitudes de atenuación que correspondían a electrones de entre 200MeV y 1 GeV o fotones de a partir de 10MeV. Estos últimos serían compatibles con los observados en Terrestrial Gamma-ray Flashes (TGFs) pero aún es necesario un modelo que explique la aceleración de las partículas de la nube hacia el suelo para poder contrastar.
Resumen en inglés
The surface detector at the Pierre Auger Observatory has been originally designed to detect extended air showers caused by ultra high energy cosmic rays. We have also found some strange events that differ in the time-scale and the spacial distribution of the detectors involved, and that have lightning induced signals in some stations. The phenomena observed is found in a large amount of detectors placed in ring shapes with signals lasting ~ 10 μs while a cosmic ray usually occurs in ~ 0.1 μs. In the present work we have studied these events to characterize them and to find a possible correlation with thunderstorms. We have developed a search algorithm and we have found 34 events in which we have analyzed the general shape of the signals, the propagation and the deposited energy. We have found that some of the signals had a certain relation between its amplitude and energy, which we used to define a group of “standard” events with the ones geometrically alike. Among them we also found correlation in the evolution of width versus energy. We have done fits using a point source and a spherical propagation of the signals, at the speed of light. It showed good agreement between the measured values and the fitted ones, and it provided a way to define the beginning time of the events at microsecond precision. Using it, we searched for coincidences with lightnings reported by the World Wide Lightning Location Network (WWLLN) since 2009. We have found 2 coincidences on microsecond scale for the studied events and 2 on millisecond scale for different ones, among 10 events that happened since 2009. We have made also deposited energy fits using an exponential function. The cloud of points is sparse, and plotting the ratio between the data and the fitted values, we found an anisotropy in the deposited energy. From the fits, we also got attenuation lengths that are compatible with 200–1000MeV electrons or > 10MeV photons. The last ones are in the same energy range than the photons in Terrestrial Gamma-ray Flashes (TGFs) but a model explaining the cloud-to-ground acceleration is still needed to be more conclusive.
| Tipo de objeto: | Tesis (Maestría en Ciencias Físicas) |
|---|---|
| Palabras Clave: | Lightning; Rayos; [Pierre Auger Observatory; Observatorio Pierre Auger; Thunderstorm; Tormenta; Rayos eléctricos] |
| Referencias: | [1] Maris, I. C., Roth, M. 65 stations in one shot. Is this lightning? GAP-2006-079, 2006. 1 [2] Veberic, D. CC-BY-SA 3.0, 2013. URL https://en.wikipedia.org/wiki/File: Layout_of_Pierre_Auger_Observatory.svg. 3 [3] Cherenkov, P. A. Visible radiation produced by electrons moving in a medium with velocities exceeding that of light. Physical Review, 52, 378–379, 1937. URL http://web.ihep.su/dbserv/compas/src/cerenkov37/eng.pdf. 2 [4] Observatorio Pierre Auger, 2005. URL http://auger.org/observatory/ gallery2005.html. 4 [5] Bertou, X., et al. Calibration of the surface array of the Pierre Auger Observatory. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A568, 839– 846, 2006. URL http://hal.in2p3.fr/file/index/docid/115164/filename/ in2p3-00115164.pdf. 5 [6] Rademakers, F., Canal, P., Bellenot, B., et al. ROOT. URL http://root.cern. ch/. 6 [7] Abestrobi. CC-BY-SA 3.0, 2008. URL https://en.wikipedia.org/wiki/File: Upperatmoslight1.jpg. 7 [8] Rakov, V., et al. Burst of pulses in lightning electromagnetic radiation: observations and implications for lightning test standards. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 38 (2), 156–164, 1996. URL http://www.lightning. ece.ufl.edu/PDF/rakovetal1996.pdf. 6 [9] Rakov, V. A., Uman, M. A. Lightning: physics and effects. Cambridge University Press, 2007. URL http://books.google.com.ar/books?id=TuMa5lAa3RAC. 6 [10] Fukunishi, H., et al. Elves: Lightning-induced transient luminous events in the lower ionosphere. Geophysical Research Letters, 23 (16), 2157–2160, 1996. URL http://vlf.stanford.edu/sites/default/files/publications/450.pdf. 6 [11] Inan, U. S., et al. Rapid lateral expansion of optical luminosity in lightninginduced ionospheric flashes refered to as elves. Geophysical Research Letters, 24 (5), 583–586, 1997. URL http://vlf.stanford.edu/sites/default/files/ publications/446.pdf. 7 [12] Chilingarian, A., Hovsepyan, G., Hovhannisyan, A. Particle bursts from thunderclouds: Natural particle accelerators above our heads. Physical Review D, 83, 062001, 2011. URL http://fzk.aragats.am/files/Publication/Particle_ bursts_from_thunderclouds_Natural_particle_accelerators_above_our_ heads.pdf. 7 [13] Gurevich, A. V., Zybin, K. P. Runaway breakdown and electric discharges in thunderstorms. Physics-Uspekhi, 44 (11), 1119, 2001. URL http://www.turpion. org/php/paper.phtml?journal_id=pu&paper_id=939. 7 [14] Gurevich, A., Milikh, G., Roussel-Dupre, R. Runaway electron mechanism of air breakdown and preconditioning during a thunderstorm. Physics Letters A, 165 (5- 6), 463 – 468, 1992. URL http://www.ees.lanl.gov/ees2/pdfs/Gurevich_RRD_ 1992.pdf. 7 [15] Chilingarian, A., et al. Ground-based observations of thunderstorm-correlated fluxes of high-energy electrons, gamma rays, and neutrons. Physical Review D, 82, 043009, 2010. URL http://fzk.aragats.am/files/Publication/2010/ Thunder_final.pdf. 7 [16] Cohen, M. B., et al. A lightning discharge producing a beam of relativistic electrons into space. Geophysical Research Letters, 37 (18), 2010. URL http: //vlf.stanford.edu/sites/default/files/publications/2010-22.pdf. 7 [17] Fishman, G. J., et al. Discovery of intense gamma-ray flashes of atmospheric origin. Science, 264 (5163), 1313–1316, 1994. URL http://nova.stanford.edu/ ~vlf/IHY_Test/Tutorials/TGFs/Papers/Fishman1994.pdf. 7 [18] Smith, D. M., et al. Terrestrial gamma-ray flashes observed up to 20 MeV. Science, 307 (5712), 1085–1088, 2005. URL http://nova.stanford.edu/~vlf/IHY_ Test/Tutorials/TGFs/Papers/Smith2005.pdf. 7 [19] National Institue of Standars and Technology. ESTAR: stopping-power and range tables for electrons. URL http://physics.nist.gov/PhysRefData/Star/Text/ ESTAR.html. 21 [20] National Institue of Standars and Technology. XCOM: photon cross sections database. URL http://physics.nist.gov/PhysRefData/Xcom/html/xcom1.html. 21 [21] WWLLN, World Wide Lightning Location Network. URL http://wwlln.net/. 24 [22] Rudlosky, S. D., Shea, D. T. Evaluating WWLLN performance relative to TRMM/LIS. Geophysical Research Letters, 40 (10), 2344–2348, 2013. URL http://wwlln.net/publications/rudlosky.2013.grl50428.pdf. 24 [23] Abarca, S. F., Corbosiero, K. L., Galarneau, T. J. An evaluation of the Worldwide Lightning Location Network (WWLLN) using the National Lightning Detection Network (NLDN) as ground truth. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 115 (D18), 2010. URL http://wwlln.net/publications/sergio.JGR2010. 2009JD013411.pdf. 24 |
| Materias: | Física > Física atmosférica |
| Divisiones: | Gcia. de área de Investigación y aplicaciones no nucleares > Gcia. de Física > Sistemas complejos y altas energías > Partículas y campos |
| Código ID: | 487 |
| Depositado Por: | Marisa G. Velazco Aldao |
| Depositado En: | 21 Abr 2015 15:07 |
| Última Modificación: | 21 Abr 2015 15:07 |
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