Autocorrelation studies of the arrival directions of UHECRs measured by the surface detector of the Pierre Auger Observatory [Elektronische Ressource] / Stephan Schulte

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 19
• Langue: English
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Extrait

Autocorrelation Studies of the Arrival
Directions of UHECRs measured by the
Surface Detector of the
Pierre Auger Observatory
Von der Fakultat fur Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften der RWTH
Aachen University zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der
Naturwissenschaften genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Diplom-Physiker
Stephan Schulte
aus Arnsberg (Westfalen)
Berichter: Universitatsprofessor Dr. rer. nat. Thomas Hebbeker
Universitatsprofessor Dr. rer. nat. Martin Erdmann
Tag der mundlichen Prufung: 11.07.2011
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfug-
bar.i
Erstgutachter und Betreuer Zweitgutachter
Prof. Dr. Thomas Hebbeker Prof. Dr. Martin Erdmann
III. Physikalisches Institut A III. Physikalisches Institut A
RWTH Aachen RWTH AacheniiContents
Outline 1
1 Introduction 3
2 Coordinate Systems 5
2.1 Local Coordinates (LCS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Equatorial Coordinates (ECS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3 Galactic Coordinates (GCS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.4 Super Galactic Coordinates (SGCS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.5 Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
3 Cosmic Rays 9
3.1 Fermi Acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.1.1 Second Order Fermi Acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.1.2 First Order Fermi Acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2 The Origin of Cosmic Rays up to the knee . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.3 The Origin of UHECRs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.3.1 Bottom-Up Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.3.1.1 Active Galactic Nuclei . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.3.1.2 Gamma Ray Bursts . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3.2 Top-Down Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3.3 Propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3.3.1 GZK-E ect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.3.3.2 Magnetic Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.3.4 Low Energy Anisotropy Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.3.5 Autocorrelation Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.4 Extensive Air Showers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27iv Contents
3.4.1 Shower Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.4.1.1 Electromagnetic Shower . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.4.1.2 Hadronic Showers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.4.2 Detection Techniques of EAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.4.2.1 Measuring the Longitudinal Shower Pro le . . . . . . 31
3.4.2.2 Measuring the Lateral Shower Prole . . . . . . . . . 33
4 The Pierre Auger Observatory 37
4.1 Fluorescence Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.1.1 Reconstruction Principle and Resolution . . . . . . . . . . . . 39
4.2 Surface Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.2.1 Trigger Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.2.2 Reconstruction and Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.3 Enhancements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.3.1 High Elevation Auger Telescopes (HEAT) . . . . . . . . . . . 49
4.3.1.1 TILT-Monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.3.1.2 TILT-Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.3.2 Auger Muons and Inll for the Ground Array (AMIGA) . . . 57
4.3.3 Auger Engineering Radio Array (AERA) . . . . . . . . . . . . 58
5 Autocorrelation Methods 59
5.1 2pt-Correlation-Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.1.1 Using one angle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.1.2 Using two angles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.2 Minimum Spanning Tree . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.3 Cluster Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.3.1 Unweighted Realisation (CA I) . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.3.2 Weighted Realisation (CA II) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73Contents v
6 Monte Carlo Studies 77
6.1 Generating Mock Maps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.1.1 HEALPix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.1.2 Smearing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.1.3 E ect of Coverage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.1.4 Catalogues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.1.4.1 VCV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.1.4.2 IRAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.1.5 Single Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.1.5.1 Radio Loud Galaxies . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.1.5.2 Random Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.1.6 Multipoles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.2 Analysing Mock Maps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.2.1 Analysis of catalogue-based Mock Maps . . . . . . . . . . . . 90
6.2.2 Analysis of single-source Mock Maps . . . . . . . . . . . . . . 92
6.2.3 Analysis of Multipoles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6.3 Summary and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
7 Application to Data measured with the PAO 101
7.1 Cut Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
7.2 High Energy Data Sets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
7.2.1 Comparison with the result of the AGN correlation study . . . 103
7.2.2 Current Data Set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
7.2.2.1 Comparison between Herald and Observer . . . . . . 104
7.3 Low Energy Data Set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
7.4 Point Source Search . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
7.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
8 Conclusion & Outlook 113
A Acronyms 117
A.1 List of abbreviations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117vi Contents
B Tilt Monitoring System 119
B.1 Calibration Constants (Tilt-Monitoring Setup) . . . . . . . . . . . . . 119
B.2 Software Screenshots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
C Signi cance Calculation 123
C.1 Signi