Muon Energy Spectrum from the Analysis of Inclined Shower Footprint

Raios cósmicos de energia extrema atingem a atmosfera e geram chuveiros atmosféricos extensos com energias inalcançáveis pelo Large Hadron Collider. O número de muões detectados ao nível do solo é um observável fundamental para determinar a composição em massa do primário. Porém, medições de longa duração mostram que os modelos existentes de interação hadrónica preveem sistematicamente menos muões do que os observados — discrepância conhecida como o Extensive Air Shower Muon Puzzle.

Além disso, o espectro de energia dos muões não é consistente entre diferentes modelos de interacção hadrónica em altas energias. Neste trabalho, exploramos a deflexão provocada pelo campo magnético terrestre para avaliar o espectro de energia dos muões. Após determinar a configuração do campo geomagnético que produz a maior separação entre muões positivos e negativos provenientes de chuveiros extensos de 80 graus, introduzimos e investigamos uma variável, a Muon Azimuthal Distribution, que caracteriza a forma da pegada de muões no solo.

O estudo centra-se em muões com energias de 10 GeV, 100 GeV e 1 TeV, analisando como as suas trajectórias e distribuição espacial final são afectadas pelos principais mecanismos físicos e geométricos envolvidos no desenvolvimento do chuveiro. Para isolar e compreender a contribuição de cada efeito, realizámos simulações que incorporam o impacto de mecanismos individuais — como o espalhamento Coulombiano e múltiplo, processos de decaimento, e subsequentemente, o conjunto combinado de processos electromagnéticos.

Em seguida, alargámos a análise considerando diferentes altitudes de produção dos muões, examinando como as distribuições azimutais resultantes evoluem através das camadas de altitude. Finalmente, usando o espectro de energia dos muões para atribuir pesos adequados às distribuições correspondentes a cada energia e profundidade de produção, obtivemos uma Muon Azimuthal Distribution representativa para o espectro considerado. Este resultado fornece novas pistas para resolver o espectro de energia dos muões em altas energias para diferentes modelos de interacção hadrónica.