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Measurement of the proton air cross section using hybrid data of the Pierre Auger Observatory [Elektronische Ressource] / Ralf Matthias Ulrich

166 pages
Forschungszentrum Karlsruhe in der Helmholtz-Gemeinschaft Wissenschaftliche Berichte FZKA 7389 Measurement of the Proton-air Cross Section using Hybrid Data of the Pierre Auger Observatory R. M. Ulrich Institut für Kernphysik März 2008 Forschungszentrum Karlsruhe in der Helmholtz-Gemeinschaft Wissenschaftliche Berichte FZKA 7389 Measurement of the proton-air cross section using hybrid data of the Pierre Auger Observatory Ralf Matthias Ulrich Institut für Kernphysik Von der Fakultät für Physik der Universität Karlsruhe (TH) genehmigte Dissertation Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, Karlsruhe 2008 Für diesen Bericht behalten wir uns alle Rechte vor Forschungszentrum Karlsruhe GmbH Postfach 3640, 76021 Karlsruhe Mitglied der Hermann von Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren (HGF) ISSN 0947-8620 urn:nbn:de:0005-073899 Measurementoftheproton-aircrosssectionusinghybriddataofthePierreAugerObservatoryZurErlangungdesakademischenGradeseinesDOKTORSDERNATURWISSENSCHAFTENvonderFakulta¨tfu¨rPhysikderUniversita¨t(TH)KarlsruhegenehmigteDISSERTATIONvonDipl.-Phys. RalfMatthiasUlrichausBasel(Schweiz)Tagdermu¨ndlichenPru¨fung: 21.12.2007Referent: Prof. J.Blu¨merKorreferent: Prof. G.
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Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz-Gemeinschaft
Wissenschaftliche Berichte
FZKA 7389









Measurement of the
Proton-air Cross Section
using Hybrid Data of the
Pierre Auger Observatory


R. M. Ulrich
Institut für Kernphysik




















März 2008 Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz-Gemeinschaft
Wissenschaftliche Berichte
FZKA 7389


Measurement of the proton-air cross section using
hybrid data of the Pierre Auger Observatory
Ralf Matthias Ulrich

Institut für Kernphysik



Von der Fakultät für Physik der Universität Karlsruhe (TH)
genehmigte Dissertation
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, Karlsruhe
2008




















































Für diesen Bericht behalten wir uns alle Rechte vor
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Postfach 3640, 76021 Karlsruhe
Mitglied der Hermann von Helmholtz-Gemeinschaft
Deutscher Forschungszentren (HGF)
ISSN 0947-8620
urn:nbn:de:0005-073899 Measurementoftheproton-aircrosssection
usinghybriddataofthe
PierreAugerObservatory
ZurErlangungdesakademischenGradeseines
DOKTORSDERNATURWISSENSCHAFTEN
vonderFakulta¨tfu¨rPhysikderUniversita¨t(TH)
Karlsruhe
genehmigte
DISSERTATION
vonDipl.-Phys. RalfMatthiasUlrich
ausBasel(Schweiz)
Tagdermu¨ndlichenPru¨fung: 21.12.2007
Referent: Prof. J.Blu¨mer
Korreferent: Prof. G.QuastALT XEAbstract
The subject of this thesis is the measurement of the proton-air cross section at ultra high
energy with hybrid data of the Pierre Auger Observatory. Based on a critical review of the
shortcomings of previous air shower measurements, a new analysis method is developed.
Thisanalysis methodtakesintoaccount themostimportantandrelevantexperimentaland
air shower physics effects. The impact of a changed cross section extrapolation on the re-
sulting air shower development is considered in addition to its more obvious effect on the
distributionofshowerstartingpoints. Furthermore,detectoracceptanceeffectsareexplicitly
includedinthereconstructionansatz,whichallowsustousealmostthecompletedatasetin
theanalysis. Systematicuncertaintiesontheresultingcrosssectionsarethoroughlystudied
and quantified. Assuming a proton dominated composition, the analysis is applied to hy-
briddataofthePierreAugerObservatory. Theobtainedcrosssectionis,withinthestatistical
andsystematicuncertainties,inagreementwithpredictionsfromhadronicinteractionmod-
18.4elsupto10 eV.Athigherenergiestheresultingcrosssectionincreasesrapidly. Finallythe
proton-air cross section is converted to a proton-proton cross section using Glauber theory
andlimitsontheelasticscatteringslopearederived.
Bestimmung des Wechselwirkungsquerschnittes von Protonen mit Luft mittels
Hybrid-DatendesPierreAugerObservatoriums
In dieser Arbeit werden Hybrid-Daten des Pierre Auger Observatoriums verwendet, um
den Wechselwirkungsquerschnitt von Protonen mit Kernen der Luft bei ultra-hoher En-
ergiezubestimmen. BasierendaufeinerAnalysederSchwachpunktefru¨hererLuftschauer-
Messmethodenwirdein neuerRekonstruktionsansatzentwickelt. Dieserberu¨cksichtigtex-
plizit diewichtigstenexperimentellensowiephysikalischenEffekte. DerEinflusseinerver-
a¨ndertenExtrapolationdesWechselwirkungsquerschnittesaufdieLuftschauer-Entwicklung
wirdebensoberu¨cksichtigtwiederEinflussaufdieVerteilungderLuftschauer-Startpunkte.
Daru¨ber hinaus wird die Akzeptanz des Detektors direkt in der Rekonstruktionsmethode
beru¨cksichtigt, wodurch fast der komplette Datensatz fu¨r die Analyse verwendet werden
kann. SystematischeUnsicherheitendesresultierendenWechselwirkungsquerschnitteswer-
denim Detailuntersuchtundquantifiziert. Die Hybrid-DatendesPierreAugerObservato-
riums werden unter der Annahme einer proton-dominierten Zusammensetzung der kos-
mischenStrahlunganalysiert. DerresultierendeWechselwirkungsquerschnittist,innerhalb
18.4der statistischen und systematischenUnsicherheiten, bis zu einer Energie von 10 eV mit
denVorhersagenvonhadronischenWechselwirkungsmodellenkompatibel. Beiho¨hererEn-
ergie nehmen die resultierendenWechselwirkungsquerschnittejedoch sehr schnell zu. Ab-
schliessendwird derProton-Luft-WechselwirkungsquerschnittmittelsderGlauber-Theorie
indenProton-Proton-WechselwirkungsquerschnittkonvertiertundeswerdenEinschra¨nkun-
gendesSteigungsparametersderelastischenStreuungabgeleitet.
iiiContents
1 Introduction 1
2 Cosmicrays,extensiveairshowersandhighenergyhadronicinteractions 3
2.1 Overviewofcosmicrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2 Extensiveairshowerphenomenology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3 Hadronicinteractionmodels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4 Low-energymodels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.5 High-energymodels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.6 Proton-aircrosssectionmeasurementsusingcosmicraydata . . . . . . . . . . 26
2.7 Glaubertheoryandproton-protoncrosssection . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3 PierreAugerObservatory 41
3.1 Experimentalsetup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
line3.2 Off softwareframework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.3 Hybrideventreconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.4 Hybriddetectorsimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4 Anovelmethodtoderivetheproton-aircrosssection 73
4.1 Motivationof X asobservable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73max
4.2 Impactofmasscompositionandhadronicinteractionfeaturesonairshowers 74
4.3 ParameterizationoftheX -distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84max
4.4 ShowerdevelopmentandtheΔX -distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . 861
4.5 Invisiblecrosssection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.6 Fittingrangeandstability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.7 Comparisontopreviousmeasurementstechniques. . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.8 Primarycomposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5 Dataanalysis 101
5.1 Hybriddataselectionandqualitycuts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.2 Hybrid X -resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104max
5.3 Detectoracceptance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.4 Protonhypothesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5.5 Proton-aircrosssection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.6 Systematicuncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.7 Discussionoftheresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
6 Summary 131
References 135
Appendix 143
A Fasthybridsimulations 143
iiiB ΔX-parameterizations 148
B.1 Energydependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
B.2 Crosssectiondependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
C Fitsofthecross-sectionanalysis 154
C.1 AnalysisbasedonSIBYLL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
C.2 AnalysisbasedonQGSJET01 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
iv