Heavy quark simulation and identification at the Pierre Auger observatory

When cosmic rays (charged nuclei, photons and neutrinos of extraterrestrial origin), reach the Earth they collide with atmospheric nuclei, producing new particles. The secondaries of this interaction undergo the same process, eventually producing millions of particles that propagate through the atmosphere and reach the Earth surface. This process is known as an Extensive Air Shower (EAS). This Ph.D thesis focuses on the production and possible detection of heavy quarks in Extensive Air Showers using the Fluorescence Detector of the Pierre Auger Observatory. Charm and bottom quark production is ubiquitous in accelerators. Since cosmic rays interactions grant access to an energy range well above that achieved at man-made accelerators, we expect those quarks to be produced copiously in cosmic ray interactions as well. The production and propagation of heavy quarks are usually neglected in Monte-Carlo shower simulators because low energy heavy hadrons have a negligible influence in the shower development. However, there are models, such as the Intrinsic Quark model, that predict the production of heavy hadrons with large fractions of the primary energy. With such large energies, the heavy hadrons produced are able to interact with air nuclei and propagate in the atmosphere, modifying the the way the shower develops. Part of this thesis revolved around the study of these interactions of heavy hadrons with air nuclei in the atmosphere, using a dedicated interaction model, and the implementation of these processes in the Monte-Carlo simulator CORSIKA. We used an large library of simulated showers generated with our modified version of CORSIKA to identify the most significant features of Extensive Air Showers where highly energetic heavy hadrons are produced. We combined the identified features through a multivariate discriminant, namely a Boosted Decision Tree, which maximizes the separation between showers with heavy hadrons and those without them. The discriminant yields a selection efficiency that can be used to predict the expected number of event where heavy hadrons are produced. Comparing this number with the actual number of showers detected by the Pierre Auger Observatory that fulfill our selection criteria, we can derive an upper limit to the heavy quark production cross-section in the Intrinsic Quark model. --------------------------------------- Cuando los rayos cosmicos (nucleos cargados, fotones y neutrinos) llegan a la tierra, colisionan con nucleos de atomos en la atmosfera, generando nuevas particulas. Los productos de esta interaccion sufren el mismo proceso, dando finalmente lugar a millones de particulas que se propagan por la atmosfera y llegan a la superficie de la tierra. Este proceso se conoce como Cascada de Rayos Cosmicos (o \textit{Extensive Air Shower}, EAS, en ingles). Esta tesis doctoral se centra en la produccion y la posible deteccion de quarks pesados en EAS, usando el Detector de Fluorescencia del Observatorio Pierre Auger. Los produccion de quarks charm y bottom es mas que frecuente en los aceleradores de particulas. Puesto que las interacciones de rayos cosmicos tienen lugar a una energia mucho mayor que la de los aceleradores, esperamos que esos quarks se produzcan copiosamente en estas interacciones. La produccion y propagacion de quarks pesados es normalmente obviada en los generadores de cascadas Monte-Carlo, puesto que los hadrones pesados de poca energia tienen poca influencia en el desarrollo de la cascada. Existen modelos que sin embargo predicen la produccion de hadrones pesados con fracciones elevadas de energia de la particula que inicia la cascada. Unos de estos es el modelo de Quark Intrinseco. En este caso, los hadrones pesados formados son capaces de interactuar con los nucleos de aire y propagarse por la atmosfera, modificando la forma en la que la cascada se desarrolla. Parte de esta tesis se ha dedicado al estudio de estas interacciones de los hadrones pesados, empleando un modelo de interaccion especifico, y a la implementacion de estos procesos en el generador Monte-Carlo CORSIKA. Con la version modificada de CORSIKA hemos generado una amplia libreria de cascadas simuladas, que hemos usado para identificar las caracteristicas mas importantes de las EAS en las que se han producido hadrones pesados. Estas caracteristicas se han combinado usando un discriminante multivariable, en particular un \'Arbol de Decision, intentando maximizar la separacion entre cascadas con produccion de quarks pesados y aquellas en las que no se producen. El resultado ultimo del discrimante es una eficiencia de seleccion que usamos para predecir el numero esperado de eventos en los que se producen hadrones pesados. Comparando este numero con el de cascadas detectadas por el Observatorio que cumplen nuestros criterios de seleccion podemos establecer un limite superior a la seccion eficaz de produccion de quarks pesados en el modelo de Quark Intrinseco.