La lecture en ligne est gratuite
Le téléchargement nécessite un accès à la bibliothèque YouScribe
Tout savoir sur nos offres
Télécharger Lire

Measurement of the energy spectrum of ultra-high energy cosmic rays using hybrid data of the Pierre Auger Observatory [Elektronische Ressource] / von Frank Fabian Schüssler

146 pages
MeasurementoftheEnergySpectrumofUltra-HighEnergyCosmicRaysusingHybridDataofthePierreAugerObservatoryZurErlangungdesakademischenGradeseinesDOKTORSDERNATURWISSENSCHAFTENvonderFakulta¨tfu¨rPhysikderUniversita¨t(TH)KarlsruhegenehmigteDISSERTATIONvonDipl.-Phys. FrankFabianSchu¨sslerausKarl-Marx-Stadt/ChemnitzTagdermu¨ndlichenPru¨fung: 7.11.2008Referent: Prof. J.Blu¨merKorreferent: Prof. G.QuastBestimmungdesEnergiespektrumultra-hochenergetischerkosmischerStrahlungmitHybridmessungendesPierreAugerObservatoriumsDas Thema dieser Arbeit ist die Bestimmung des Energiespektrums kosmischer Strahlungbei ho¨chsten Energien. Die dazu verwendeten Hybriddaten des Pierre Auger Observatori-ums zeichnen sich durch eine hohe Rekonstruktionsgenauigkeitund die Abdeckung eines¨grossenEnergiebereichs aus. Dieser schließt den erwartetenUbergang von galaktischen zuextragalaktischen Quellen der kosmischen Strahlung ein. Eine sehr gute Energieauflo¨sungvon besserals 10%, die durch eine geeigneteSelektionder Daten erzielt wurde,ermo¨glichtdieUntersuchungderspektralenEigenschaftenindiesemfu¨rdasVersta¨ndnisderultra-hochenergetischen kosmischen Strahlung extrem wichtigen Bereich mit hoher Pra¨zision. ZurBestimmungderzeitintegriertenDetektorakzeptanzwurdeeinneuesVerfahreneingefu¨hrt.BasierendaufeinerVielzahlvonDatenquellenkonntederZustandallerDetektorkomponen-tendesPierreAugerObservatoriumseinschließlichallerzeitlichenVera¨nderungenabgeleitetwerden.
Voir plus Voir moins

MeasurementoftheEnergySpectrumof
Ultra-HighEnergyCosmicRays
usingHybridDataofthe
PierreAugerObservatory
ZurErlangungdesakademischenGradeseines
DOKTORSDERNATURWISSENSCHAFTEN
vonderFakulta¨tfu¨rPhysikderUniversita¨t(TH)
Karlsruhe
genehmigte
DISSERTATION
vonDipl.-Phys. FrankFabianSchu¨ssler
ausKarl-Marx-Stadt/Chemnitz
Tagdermu¨ndlichenPru¨fung: 7.11.2008
Referent: Prof. J.Blu¨mer
Korreferent: Prof. G.QuastBestimmungdesEnergiespektrumultra-hochenergetischerkosmischerStrahlungmit
HybridmessungendesPierreAugerObservatoriums
Das Thema dieser Arbeit ist die Bestimmung des Energiespektrums kosmischer Strahlung
bei ho¨chsten Energien. Die dazu verwendeten Hybriddaten des Pierre Auger Observatori-
ums zeichnen sich durch eine hohe Rekonstruktionsgenauigkeitund die Abdeckung eines
¨grossenEnergiebereichs aus. Dieser schließt den erwartetenUbergang von galaktischen zu
extragalaktischen Quellen der kosmischen Strahlung ein. Eine sehr gute Energieauflo¨sung
von besserals 10%, die durch eine geeigneteSelektionder Daten erzielt wurde,ermo¨glicht
dieUntersuchungderspektralenEigenschaftenindiesemfu¨rdasVersta¨ndnisderultra-hoch
energetischen kosmischen Strahlung extrem wichtigen Bereich mit hoher Pra¨zision. Zur
BestimmungderzeitintegriertenDetektorakzeptanzwurdeeinneuesVerfahreneingefu¨hrt.
BasierendaufeinerVielzahlvonDatenquellenkonntederZustandallerDetektorkomponen-
tendesPierreAugerObservatoriumseinschließlichallerzeitlichenVera¨nderungenabgeleitet
werden. DieseInformationbildetdieGrundlageneinerneuartigenMonteCarloDetektorsi-
¨mulation, die die realen Bedingungen der Datennahmen reproduziert. Die Ubereinstimm-
ung zwischen Simulation und Daten wurde ausfu¨hrlich u¨berpru¨ft. Spezielle Selektionskri-
terien ermo¨glichten die Beseitigung von systematischen Abha¨ngigkeiten des bestimmten
EnergiespektrumsvonderMassederkosmischenPrima¨rteilchen, Details derhadronischen
Wechselwirkungenbeiultra-hohenEnergienunddersystematischenUnsicherheitderEner-
gieskala des Experiments. Der Einfluss von Wolken auf Luftschauerbeobachtungenkonnte
bestimmt undbeseitigtwerden. Das Energiespektrumwurdemit einer systematischenUn-
18.7¨sicherheitvon6%bestimmt. EinesignifikanteAnderungdesspektralenVerlaufbei10 eV
konnte nachgewiesen und, zusammen mit Messungen der Massenzusammensetzung der
kosmischen Strahlung, mit verschiedenen phenomenologischen Modellen verglichen wer-
den.
Abstract
Thesubjectofthisthesisisthemeasurementoftheenergyspectrumofultra-highenergycos-
mic rays from simultaneous observation of fluorescence and surface detectorsof the Pierre
Auger Observatory. These hybrid data allow us to study a wide energy range, which in-
cludes the region were the transition between galactic and extragalactic cosmic rays is ex-
pected. Dedicated event selection criteria result in an unprecedented energy resolution of
less then 10%, which makes a precise determination of spectral features possible. To deter-
minetheexposureaccumulatedduringthefirstyearsofoperationoftheobservatory,anovel
techniquehas been developed. Basedon avery detaileddescriptionofthe datataking con-
ditionsand the statusof all partsofthe PierreAugerObservatory, atime dependentMonte
Carlosimulationhasbeenintroduced. Extensivecomparisonsensuretheexactreproduction
of actual data at all levels and time scales. The definition of an energy dependent fiducial
volume led to the removal of systematic dependencies from assumptions on the mass of
theprimary particles,thedetailsofhadronicinteractionsatultra-high energiesand thesys-
tematic uncertaintyof theenergyscale oftheobservatory. A totalsystematicuncertaintyof6% has been derived from independentair shower measurements of the surface array and
cross-checked with different methods. Extending the nominal energy range of the Pierre
18AugerObservatorytolowerenergy,thehybridenergyspectrumabove10 eVismeasured.
18.7It shows a significant break of the power-law behavior at 10 eV. The details of this spec-
tralfeatureknownasthe’ankle’,areinterpretedinconjunctionwithmasscompositiondata
withindifferentphenomenologicalmodelsofultra-highenergycosmicrays.
Re´sume´
Le sujet de cette the`se est la mesure du spectre e´nerge´tique des rayons cosmiques de ultra
hautes e´nergies. Cette mesure est base´e sur les donne´es hybrides de l’observatoire Pierre
Augerquisecaracte´risentparunehautepre´cisiondereconstructionetpermettentd’e´tudier
unelargedomaineene´nergie,cequiinclutlatransitionattendueentrelesrayonscosmiques
de sources galactiques et extragalactiques. La tre`s bonne re´solution de l’e´nergie (< 10%)
permetl’e´tudepre´cisedesproprie´te´sspectrales.
Afindede´terminerl’expositioncumule´ependantlespremie`resanne´esdefonctionnement
del’observatoire,unenouvelletechniqueae´te´ de´veloppe´e. L’e´tatdude´tecteuretsone´volu-
tion dans le temps ont pu eˆtre de´termine´s graˆce a` une multitude de donne´es. Ces informa-
tionssontlabased’unenouvelletechniquedesimulationMonteCarlo,quireproduitlasitu-
ationexactedelaprisedesdonne´es. L’accordentrelasimulationetlesdonne´esae´te´ ve´rifie´
en de´tail. Des crite`res de se´lection permettent l’e´limination des de´pendances du spectre a`
l’incertitude syste´matique de l’e´chelle d’e´nergie, aux de´tails des interactions hadroniques
a` ultra-hautes e´nergies et a` l’hypothe`se sur la masse des particules primaires. En outre,
l’influence des nuages sur la de´tection des gerbes atmosphe´riques a pu eˆtre de´termine´e et
e´limine´e.
L’incertitude syste´matique du spectre a pu eˆtre re´duite a` 6%. Une modification signi-
ficative de l’index spectral du flux du rayonnement cosmique a e´te´ mis en e´vidence a` une
18.7e´nergie de 10 eV. En associant les de´tails de cette caracte´ristique spectrale, connu sous
≪ ≫le nom de cheville , avec des donne´es sur la composition de la masse des particules pri-
maires,diffe´rentsmode`lesphe´nome´nologiquesderayonscosmiquesdeultra-hautee´nergie
ontpueˆtreteste´s.Contents
1 Introduction 1
2 Ultra-highenergycosmicrays 3
2.1 Extensiveairshowers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.1 Phenomenologyofextensiveair showers . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.2 Detectionofextensiveair showers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2 Astroparticlephysicsatthehighestenergies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.1 Chargedparticleastronomy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.2 Primary masscomposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.3 Theenergyspectrumofcosmicrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3 ThePierreAugerObservatory 19
3.1 ThesouthernObservatory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2 Airshowerdetectionandreconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2.1 Hybrideventreconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.2.2 Calibration andsignaldetermination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2.3 ReconstructionoftheEASgeometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2.4 Energyreconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2.5 Systematicuncertaintiesoftheenergyscale . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4 TheuptimeofthePierreAugerObservatory 37
4.1 Uptimedetermination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.1.1 Pixeluptime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.1.2 Telescopesuptime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.1.3 Eyeuptime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.1.4 CDASuptime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.2 Resultsandcross-checks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.3 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5 TimedependentMonteCarlosimulations 49
5.1 Airshoweranddetectorsimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.1.1 Lightemissionandpropagationthroughtheatmosphere . . . . . . . . 515.1.2 Fluorescencedetectorresponse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.1.3 FDtriggersimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.1.4 Simulation ofthesurfacearrayresponse . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.1.5 Invisible energycorrection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.2 Validationofthe REALMC simulation andresults . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.2.1 BackgroundnoiseandFLT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.2.2 Timedependences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.2.3 Multi-eyeevents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.2.4 Detectionandreconstructionaccuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
6 ThehybridexposureofthePierreAugerObservatory 67
6.1 REALMC simulationtodeterminethehybridexposure . . . . . . . . . . . . . 69
6.2 Eventselectioncriteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
6.2.1 Quality cuts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.2.2 Fiducialvolumecuts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
6.2.3 Atmosphericconditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.3 Thehybridexposure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
6.4 Validationwithsurfacedetectordata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
7 TheUHECRenergyspectrum 83
7.1 Hybridspectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
7.2 Systematicuncertaintiesandcrosschecks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
7.2.1 Energyscale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
7.2.2 Subsampleanalysisandcross-checks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
7.3 Spectralanalysisandmodelcomparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
8 Summary 101
9 Acknowledgments 103
Bibliography 117
Appendix 118
A Glossary 119
B Datareconstruction 121
C Atmosphericeffects 123
C.1 Clouddetection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
C.1.1 Available cloudinformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
C.1.2 Comparisonbetweendifferentcloudmeasurements . . . . . . . . . . . 124
C.1.3 Lidarmeasurementsfromdifferentstations . . . . . . . . . . . . . . . . 124
C.1.4 Lidarvs. CLF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
C.2 Comparisonbetweenreconstructedhybrideventsandcloudmeasurements . 125
C.2.1 CLFvs. hybriddata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
iiC.2.2 Lidarvs. hybriddata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
C.2.3 Influenceonmasscompositionmeasurements . . . . . . . . . . . . . . 127
D MCvalidationandsystematicuncertainties 131
D.1 ComparisonbetweendataandMC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
D.2 Energyscaleuncertainty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
D.3 Energyresolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
E Comparisonwithphenomenologicalmodels 137
E.1 Dip model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
E.2 Mixedcompositionmodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
iiiivChapter1
Introduction
Cosmic rays are both a great tool and a great mystery to physicists. Shortly after the dis-
covery of this high energy radiation from the universe at the beginning of the last century,
it could be usedvery successfully tostudyphenomenaat energiesnotreachable with man-
made devices at that time. Many important advances in elementary particle physics like
the discovery of the positron [1], muon [2] and pions [3–5] were only possible by studying
cosmicrays.
Since then, the studied energy range has been constantly enlarged. The extremely low
flux of very high energy cosmic rays, which decreases steeply with increasing energy, re-
quiredthedevelopmentofnewdetectionmethodslikethefluorescence,Cherenkovorradio
techniqueandthedeploymentofhugearraysofsurfacedetectors.
20Surprisingly, particles with energies even exceeding 10 eV have been detected. The
processes that could accelerate particles to such high energies are one of the greatest mys-
teriesofmodernphysicsandtheirunderstandingwouldprovideinsightintophysicsunder
extremeconditions.
Almost a century after the discovery of cosmic rays, astroparticle physics is currently
enteringanewera. ThecompletionofthesouthernpartofthePierreAugerObservatory[6]
provides high precision and high statistics data of cosmic rays at ultra-high energies. De-
tailed measurements like the determination of the mass of the primary cosmic rays, their
energyspectrumandarrival directiondistributionarenowinreach.
One of the most fundamental measurements is the determination of the cosmic ray en-
ergyspectrum,whichreflectstheinjectionspectrumoftheunknownsourcesandthephysics
of ultra-high energy particle propagation through the universe. Many studies focus on the
upper end of the spectrum. During the last years, however, it has been realized that one of
themostefficientandcomplementarywaystoobtaininformationabouttheoriginofcosmic
18 19rays at ultra-high energies is the study of the energy range between 10 −10 eV, where
thetransitionbetweengalactic and extragalacticcosmic raysis expected. Thisenergyrange
is accessible with high precision “hybrid” measurements of the Pierre Auger Observatory,
i.e. simultaneous observations with two complementary detectors, a surface array and a
fluorescencedetector.
The aim of this work is a measurement of the ultra-high energy cosmic ray spectrum2 Chapter1. Introduction
in the transition range from galactic to extragalactic cosmic rays. The flux of cosmic rays
is derived by counting the number of events in a given energy interval and comparing it
with the integrated aperture of the instrument. In a first step, observed air showers were
reconstructed and their characteristic parameters were determined. This has been done by
developinganautomatedeventreconstructionschemeandstoringthereconstructedevents
in a dedicated data summary format. In a second step, the time dependent aperture of the
detectorsystem,theotherkeyelementforthefluxmeasurement,wasdetermined. Whereas
the aperture for surface detector arrays can be derived purely from geometrical considera-
tions, its determination is one of the main challenges for optical detectors like the fluores-
cence telescopes of the Pierre Auger Observatory. The aperture of a fluorescence detector
is depending on a large number of highly correlated parameters like the energy, mass and
direction of the primary particle and atmosphericconditions. For the work presentedhere,
additionaldifficultiesarisefromthefactthatthedetectoritselfwasinitsconstructionphase.
Not only the changes of the detector configuration, but also the initial failures of detector
componentsduringthestartupphasehavetobeaccountedfor.
In addition to theselarge scale changes, smaller but neverthelessimportant changes oc-
curonmuchshortertimescales. Themostimportanteffectsanalyzedinthisworkincludethe
fact that the fluorescence detector is taking data only during moonless nights, which intro-
duces a seasonaldependenceof the apertureas nights are longer during the winter season.
Otherweathereffectslikestormorrainfall areaffecting theavailable detectorconfiguration
assomepartsmightbeshutdownforsafetyreasons. Inaddition,changingbackgroundlight
isaffectingthetriggerthresholdofthefluorescencetelescopes. Alsothestatusofthesurface
detectorisconstantlychanging,forexample,bythetemporarylossofthewirelesscommuni-
cationbetweenthestationsandthecentraldataacquisitionsystem. Theseandotherchanges
in the detectorconfiguration have to be taken into account during the determination of the
aperture.
Anovelapproachfortheexposuredetermination,called REALMC ,hasbeendeveloped.
In a first step a complete time dependent detector status description, which takes into ac-
countallknowneffectsthatmightinfluencethedatatakingoftheobservatory,wasderived
(cf. Sec. 4). This information is used as basis for extensive Monte Carlo simulations repro-
ducing the actual data conditions (cf. Sec. 5). After validating the REALMC simulations
with data at various reconstruction levels, they were used to determine the time integrated
apertureofthePierreAugerObservatoryinhybridmode(cf. Sec.6).
Thequalityoftheselectedeventsandan unprecedentedenergyresolutionisassuredby
dedicated selection criteria, which were verified with Monte Carlo simulations. Additional
selection criteria have been developed to minimize systematic dependencies of the energy
spectrum on the primary mass composition, hadronic interaction models and the absolute
energyscaleoftheobservatory.
Extending the nominal energy range of the Pierre Auger Observatory to lower energy,
18the hybrid energy spectrum above 10 eV has been derived and compared with existing
data. Finally differentphysicsinterpretationsarediscussed.