Preliminary analysis on possible traces left by UHECRs in the ground

Ultra-high energy cosmic rays (UHECRs) are particles mostly of extragalactic origin with an energy of at least 10^18 eV. Among the hypothesized sources able to accelerate particles to such energies are the magnetars, very peculiar neutron stars with extremely powerful magnetic fields. Assuming these sources may have arisen in the past also in our Galaxy, the effect would have been a temporary increase in the flux of UHECRs reaching the Earth. This thesis suggests and tries to investigate the possibility that such particles may have left distinctive traces in the ground, identifiable and clearly separable from the background, consisting of the same type of traces but left by less energetic cosmic rays. When a cosmic ray enters the atmosphere, it generates a so-called extensive air shower (EAS), a cascade event in which, from the first interaction, new secondary particles are constantly produced. In this thesis work, EAS simulations with the software CORSIKA are performed to study the differences in terms of number and type of particles that reach the ground and then to understand how these behave if injected in a volume of water. After a certain depth, the contributions related to background cosmic rays should be filtered out, in this way the traces left in the form of cosmogenic isotopes or nuclear tracks in crystalline solids, should only be traceable to UHECRs.

I raggi cosmici ad altissima energia (UHECRs) sono particelle prevalentemente di origine extragalattica, con un’energia di almeno 10^18 eV. Tra le possibili fonti in grado di accelerare queste particelle a così grandi energie ci sono le magnetar, particolari stelle di neutroni con campi magnetici estremamente potenti. Ipotizzando che queste fonti siano nate nel passato anche nella nostra Galassia, l’effetto previsto sarebbe quello di aumenti periodici del flusso di UHECRs sulla Terra. Questa tesi si ripropone di studiare la possibilità che queste particelle abbiano lasciato delle tracce caratteristiche nel suolo, che possano essere identificabili e chiaramente distinguibili dal background, che consiste nello stesso tipo di tracce ma lasciate da raggi cosmici ad energie più basse. Quando un raggio cosmico entra nell’atmosfera, genera i cosiddetti sciami atmosferici estesi (EAS), eventi nei quali dalla prima interazione in poi, nuove particelle secondarie vengono costantemente prodotte a cascata. In questo lavoro, tramite il software CORSIKA, vengono effettuate simulazioni di EAS generate prevalentemente da UHECRs per studiare le differenze in termini di numero e tipo delle particelle che raggiungono il suolo e, in seguito, per capirne il comportamento se immesse in un volume di acqua. Dopo una certa profondità non si dovrebbero più avere contributi legati al background, in questo modo le tracce lasciate sotto forma di isotopi cosmogenici o di tracce nucleari in solidi cristallini, dovrebbero essere riconducibili solamente a UHECRs.