Measurement of the energy spectrum of cosmic rays with the 26 station configuration of the IceTop detector [Elektronische Ressource] / Fabian Kislat. Gutachter: Hermann Kolanoski ; Thomas K. Gaisser ; Gernot Maier

Dipl.-Phys. Fabian Kislat

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• Astronomie

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• Publié le: 01 janvier 2012
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Extrait

Measurement of the Energy Spectrum of
Cosmic Rays with the 26 Station
Configuration of the IceTop Detector
DISSERTATION
zur Erlangung des akademischen Grades
doctor rerum naturalium
(Dr. rer. nat.)
im Fach Physik
eingereicht an der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I
der Humboldt-Universität zu Berlin
von
Dipl.-Phys. Fabian Kislat
Präsident der der Humboldt-Universität zu Berlin:
Prof. Dr. Jan-Hendrik Olbertz
Dekan der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I:
Prof. Dr. Andreas Herrmann
Gutachter:
1. Prof. Dr. Hermann Kolanoski
2. Prof. Dr. Thomas K. Gaisser
3. Dr. Gernot Maier
eingereicht am: 21. Juli 2011
Tag der mündlichen Prüfung: 27. September 2011Meiner Familie.
Weil Ihr immer für mich da seid,
Auch über eine große Entfernung.Abstract
IceTop is an instrument at the geographic South Pole designed to detect
cosmic ray air showers, particle cascades in the atmosphere initiated by high-
energy cosmic rays. It is the surface component of the IceCube neutrino
telescope. Since its completion in December 2010, IceTop consists of 81 de-
tector stations covering an area of one square kilometer on the ice surface
above IceCube. Each IceTop station consists of two ice-filled tanks in which
the Cherenkov light emitted by charged air shower particles is measured. In
this dissertation, an analysis of data taken in 2007 with 26 IceTop stations
operational at that time is presented.
First, properties of air showers like core position, direction and shower
size were reconstructed from the measured signals. The core position can
be determined to an accuracy of up to 6 m and a direction resolution of up
to 0.3 is achieved. The shower size is a measure of the energy of the primary
particle and a resolution of up to 10% is achieved at high energies.
In the next step the relation between primary energy and shower size, as
well as resolution and eciency are determined from Monte Carlo simula-
tions of air showers and the IceTop detector. Here, an assumption was made
about the chemical composition of cosmic rays. The informations obtained in
these simulations are then used to unfold the spectrum of measured shower
sizes in order to obtain the all-particle cosmic ray energy spectrum. This is
done independently for particles from three dierent zenith angle intervals.
The result of the unfolding depends on the assumed primary composition.
Due to the isotropy of cosmic rays, results obtained in dierent zenith angle
intervals must agree. While with the chosen analysis technique a simulta-
neous determination of primary particle mass and energy is limited due to
systematic uncertainties, it has already been shown that the requirement of
isotropy can be used to constrain the range of possible assumptions on the
chemical composition of primary particles.
Good agreement of spectra from dierent zenith angle ranges has been
found under the assumption of pure proton primaries, as well as for a mixture
of protons and iron with a relatively large proton contribution at low energies
and proton dominance at high energies. Under these assumptions the knee of
the cosmic ray energy spectrum has been observed at energies between 3.97
and 4.20 PeV. The spectral index below the knee is about 2.7 and varies
between 3.08 and 3.15 above the knee. Pure iron as primary particles can
be excluded at a high confidence level below 25 PeV. Independent of the
primary composition assumption a flattening of the energy spectrum with an
index of about 3.0 has been observed above 30 PeV.
ivZusammenfassung
IceTop ist ein Detektor am geographischen Südpol zum Nachweis von Luft-
schauern, Teilchenkaskaden in der Atmosphäre, die von hochenergetischen
kosmischen Strahlen ausgelöst werden. IceTop ist die Oberflächenkomponen-
te des Neutrinoteleskops IceCube. Seit der Fertigstellung im Dezember 2010
besteht IceTop aus 81 Detektorstationen auf einer Fläche von einem Qua-
dratkilometer, auf der Eisoberfläche über IceCube. Diese Detektorstationen
bestehen aus jeweils zwei eisgefüllten Tanks, mit denen Luftschauer nach-
ˇgewiesen werden, indem das Cerenkov-Licht gemessen wird, das von gela-
denen Sekundärteilchen des Schauers im Eis erzeugt wird. Die vorliegende
Dissertation umfasst eine Analyse von Daten, die im Jahr 2007 mit den 26 zu
der Zeit installierten Stationen genommen wurden.
Dazu werden zunächst die Eigenschaften der Schauer, wie Position, Rich-
tung und ein Maß für die Größe des Schauers aus den gemessenen Signalen
rekonstruiert. Dabei wird eine Genauigkeit von bis zu 6 m bei der Bestim-
mung der Position des Schauerkerns und eine Richtungsauflösung von bis
zu 0,3 erreicht. Die Schauergröße ist ein Maß für die Energie des Primär-
teilchens, und bei hohen Primärenergien wird eine Energieauflösung von
etwa 10% erreicht, was vergleichbar mit ähnlichen Experimenten ist.
Im nächsten Schritt wird der Zusammenhang zwischen Primärenergie und
Schauergröße aus Monte-Carlo-Simulationen von Luftschauern und des De-
tektors bestimmt, sowie Energieauflösung und Nachweisezienz. Hierbei
wurde eine Annahme über die chemische Zusammensetzung der kosmi-
schen Strahlung gemacht. Diese Informationen werden dann verwendet, um
das Spektrum der gemessenen Schauergrößen zu entfalten und das Energie-
spektrum zu bestimmen. Dies wird getrennt für Schauer aus verschiedenen
Zenitwinkelbereichen durchgeführt.
Das Resultat dieser Entfaltung hängt von der angenommenen Zusammen-
setzung der Primärteilchen ab. Die Ergebnisse, die aus der Entfaltung in ver-
schiedenen Zenitwinkelintervallen gewonnen werden, müssen jedoch über-
einstimmen, wenn man Isotropie der komischen Strahlung voraussetzt. Eine
gleichzeitige Bestimmung von Masse und Energie der Primärteilchen ist mit
der gewählten Methode aufgrund systematischer Unsicherheiten zwar nur
eingeschränkt möglich, es wurde jedoch bereits gezeigt, dass die Vorausset-
zung der Isotropie kosmischer Strahlung ausgenutzt werden kann, um den
Rahmen der möglichen Annahmen über die Zusammensetzung einzugren-
zen.
Eine gute Übereinstimmung von Spektren aus verschiedenen Zenitwinkel-
bereichen wird unter der Annahme von reinen Protonen als Primärteilchen
gefunden, sowie für eine Mischung aus Protonen und Eisen mit einem ho-
hen Protonanteil bei niedrigen Energien und einer Mehrheit von Eisen bei
hohen Energien. Unter diesen Annahmen ergibt sich eine Position des Knies
im Spektrum der kosmischen Strahlung von 3,97 bis 4,20 PeV. Der spektra-
le Index unterhalb des Knies ist etwa 2,7 und oberhalb des Knies variiert
ver zwischen 3,08 und 3,15. Reines Eisen auf der anderen Seite kann mit
sehr großer Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen werden. Unabhängig von der
Annahme über die Zusammensetzung wird oberhalb von etwa 30 PeV ein
Abflachen des Spektrums mit einem Index von etwa 3,0 beobachtet.
viContents
Introduction 1
1. Cosmic rays and air showers 3
1.1. Energy spectrum and chemical composition . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2. Sources, acceleration and propagation to Earth . . . . . . . . . . . . 5
1.2.1. Fermi acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.2. Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.3. Propagation in the galaxy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3. Cosmic rays at the knee and above . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3.1. Cosmic-ray acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3.2. Leakage of cosmic rays from the galaxy . . . . . . . . . . . . 12
1.3.3. Interaction with background particles . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.4. Particle physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3.5. Combinations of eects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4. Air showers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.5. Air shower detection techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.5.1. Ground based particle detectors . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.5.2. Cherenkov and fluorescence light detection . . . . . . . . . . 21
1.5.3. Radio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.5.4. Some recent experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2. IceCube and IceTop 25
2.1. IceCube and the IceTop air shower array . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.1.1. IceCube . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.1.2. IceTop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.1.3. Digital Optical Modules and data acquisition . . . . . . . . . 28
2.1.4. Physics goals of IceTop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.2. Signals in the IceTop detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.3. Detector calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.3.1. Calibration of DOM electronics and PMT . . . . . . . . . . . 36
2.3.2. of the IceTop tanks . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.4. Environmental conditions at South Pole . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3. Air shower reconstruction 43
3.1. Dataset and data selec