Studio della sensibilità di Terzina nella rilevazione di raggi cosmici ultra energetici

In the coming age of multimessenger astrophysics, ultra-high energy cosmic rays and neutrinos represent unique probes into the physics of the most violent processes in the universe. Particularly difficult is the detection of neutrinos: at the highest energies (E > 10^{16} eV), statistically significant detection of these cosmic messengers proves to be difficult, requiring extremely large detection volumes. Furthermore, the highest part (E > 5$\times$10^{19} eV) of the energy spectrum of UHECRs (Ultra-High Energy Cosmic Rays, E > 10^{18} eV) is still to be further explored due to the poor flux that these particles have while reaching the Earth. Observations of extensive air showers induced by neutrinos or UHECRs in the Earth atmosphere from sub-orbital or orbital space can, in principle, contribute to alleviate this problem. By using the entire Earth and its atmosphere as the primary detection volume, gargantuan geometric acceptances to the astrophysical fluxes of cosmic particles can be achieved, finding a way to improve the statistics of detected particles. In this thesis, I present a study conducted on the Terzina experiment, which is part of the NUSES mission, and a pathfinder of the large space mission POEMMA proposed to NASA. The goal of Terzina is to test the techniques and the technologies to detect astrophysical neutrinos from the limb of the Earth. During my thesis, I have studied the sensitivity of Terzina to the detection of UHECRs by simulating the response of the detector to the Cherenkov light emitted in the air, while cascading, by a UHECR and reaching the aperture of Terzina’s telescope. These calculations are useful to figure out the characteristics of the detected signal which take into account the effects of optics and SiPM Photon-Detection-Efficiency. Moreover, a study on the performance of the proposed trigger logic is presented and an estimation of the expected number of detected events is discussed. These results are useful in the project development and realization, giving some indications on how to optimize the instrument and improve its performance in space, aiming to be the first instrument in history to detect UHECRs from space using the Cherenkov emission. ​

Nella prossima era dell'astrofisica multimessenger, i raggi cosmici e i neutrini ad altissima energia rappresentano delle sonde uniche nello studio della fisica dei processi più violenti dell'universo. Particolarmente difficile è la rilevazione dei neutrini: alle energie più elevate (E> 10 ^ {16} eV), la rilevazione statisticamente significativa di questi messaggeri cosmici si rivela difficile, richiedendo volumi di rilevazione estremamente grandi. Inoltre, la parte più alta (E> 5 X 10 ^ {19} eV) dello spettro energetico degli UHECR (Ultra-High Energy Cosmic Rays, E> 10 ^ {18} eV) deve ancora essere ulteriormente esplorata a causa allo scarso flusso che queste particelle hanno quando raggiungono la Terra. Le osservazioni di Extensive-Air-Shower (EAS), cascate di particelle secondarie indotte da neutrini o UHECR nell'atmosfera terrestre dallo spazio suborbitale o orbitale possono, in linea di principio, contribuire ad alleviare questo problema. Utilizzando l'intera Terra e la sua atmosfera come volume di rilevazione primario, è possibile ottenere accettanze geometriche gigantesche ai flussi astrofisici di queste particelle cosmiche, trovando un modo per migliorare la statistica delle particelle rilevate. In questa tesi presento uno studio condotto sull'esperimento Terzina, che fa parte della missione NUSES, ed un precursore della missione spaziale POEMMA proposta alla NASA. L'obiettivo di Terzina è quello di testare le tecniche e le tecnologie per rilevare i neutrini astrofisici sull’orizzonte terrestre. Durante la mia tesi, ho studiato la sensibilità di Terzina alla rilevazione di UHECR simulando la risposta del rivelatore alla luce Cherenkov che raggiunge l'apertura del telescopio emessa nell'aria da un EAS da esso indotto. Questi calcoli sono utili per capire le caratteristiche del segnale rilevato e tengono conto degli effetti dell'ottica e della Photon-Detection-Efficiency (PDE) dei SiPM. Inoltre, viene presentato uno studio sulle prestazioni della logica di trigger proposta e viene discussa una stima del numero atteso di eventi rilevati. Questi risultati sono utili nello sviluppo e nella realizzazione del progetto, fornendo alcune indicazioni su come ottimizzare lo strumento e migliorarne le prestazioni nello spazio, puntando ad essere il primo strumento nella storia a rilevare gli UHECR dallo spazio utilizzando l'emissione Cherenkov. ​