Thesis:

Generation of a look-up table for water Cherenkov detectors at SWGO for the highest energy gamma rays

The reconstruction of atmospheric showers induced by high-energy gamma rays is crucial for optimizing the design and performance of the Southern Wide-field Gamma-ray Observatory (SWGO). Although the primary scientific goal of SWGO is the detection of astrophysical gamma rays, the presence of cosmic rays represents a major source of background. Accurate modeling of detector responses is thus essential for enabling future improvements in distinguishing between particle types. Currently, several design options for the outer array layout of SWGO are under consideration, each with different configurations of Cherenkov detector tanks and photomultiplier tube (PMT) arrangements. In this work, we focus on one specific tank design known as the M1mT1m model—a plastic rotomolded tank equipped with two multi-photomultiplier tube (multiPMT) arrangements. By simulating the interactions of various particle types with this design, we aim to model the resulting Cherenkov light signals. Given the computational cost of full shower simulations at very high energies, this study contributes to the development of an efficient approach—FastSim—that simulates individual particle arrivals at the detector and constructs a detailed lookup table (LUT) of detector responses. The LUT parametrizes the detector’s response across multiple variables, enabling fast and reliable predictions of Cherenkov signals under diverse conditions. The analysis reveals that the multiPMT module provides rich directional information through distinct photoelectron counts and timing patterns across PMTs, which enhances event reconstruction capabilities. Future work will refine the fitting procedures and validate the LUT approach by comparing full simulations with and without the fast simulation method, aiming to confirm its accuracy and computational advantages for large-scale SWGO data processing.

La reconstrucción de las lluvias atmosféricas inducidas por rayos gamma de alta energía es crucial para optimizar el diseño y el rendimiento del Observatorio Sur de Rayos Gamma de Campo Amplio (SWGO). Si bien el principal objetivo científico del SWGO es la detección de rayos gamma astrofísicos, la presencia de rayos cósmicos representa una fuente importante de fondo. Por lo tanto, el modelado preciso de las respuestas de los detectores es esencial para permitir futuras mejoras en la distinción entre tipos de partículas. Actualmente, se están considerando varias opciones de diseño para la disposición del conjunto externo del SWGO, cada una con diferentes configuraciones de tanques detectores Cherenkov y arreglos de tubos fotomultiplicadores (PMT). En este trabajo, nos centramos en un diseño de tanque específico conocido como el modelo M1mT1m: un tanque rotomoldeado de plástico equipado con dos arreglos de tubos multifotomultiplicadores (multiPMT). Al simular las interacciones de varios tipos de partículas con este diseño, buscamos modelar las señales de luz Cherenkov resultantes. Dado el coste computacional de las simulaciones completas de lluvias de partículas a energías muy altas, este estudio contribuye al desarrollo de un enfoque eficiente —FastSim— que simula la llegada de partículas individuales al detector y construye una tabla de consulta (LUT) detallada de las respuestas del detector. La LUT parametriza la respuesta del detector en función de múltiples variables, lo que permite predicciones rápidas y fiables de las señales de Cherenkov en diversas condiciones. El análisis revela que el módulo multiPMT proporciona información direccional completa mediante recuentos de fotoelectrones y patrones de temporización distintos en los PMT, lo que mejora la capacidad de reconstrucción de eventos. En trabajos futuros se perfeccionarán los procedimientos de ajuste y se validará el enfoque LUT mediante la comparación de simulaciones completas con y sin el método de simulación rápida, con el objetivo de confirmar su precisión y sus ventajas computacionales para el procesamiento de datos SWGO a gran escala.