Determination of an arrival time cut for the separation of electrons and muons in extensive air showers [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Marc Brüggemann

Marc Brüggemann

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• Astronomie

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• Publié par: universitat_siegen
• Publié le: 01 janvier 2006
• Nombre de lectures: 5
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 3 Mo

Extrait

Determinationofan
arrivaltimecutfor
theseparationof
electronsandmuons
inextensiveairshowers
DISSERTATION
zurErlangungdesakademischenGradeseines
DoktorsderNaturwissenschaften
vorgelegtvon
Diplom-PhysikerMarcBru¨ggemann
geborenam25. Juni1977inHamm(Westfalen)
genehmigtvomFachbereichPhysik
derUniversita¨tSiegen
Siegen
Dezember2006GutachterderDissertation: Prof.Dr.P.Buchholz
Prof.Dr.C.Grupen
DatumderDisputation: 05.Februar2007
gedrucktaufalterungsbesta¨ndigemholz-undsa¨urefreiemPapierAbstract
Extensive air showers measured by the KASCADE-Grande experiment at the
Forschungszentrum Karlsruhe are studied with respect to the arrival times of elec-
trons and muons at observation level. KASCADE-Grande is a ground based detector
array to study extensive air showers generated by primary cosmic ray particles in the
14 18energy range from 10 eV to 10 eV. Approximately 290,000 air showers measured
betweenJanuary2005andFebuary2006areusedtogeneratearrivaltimedistributions
of electrons and muons for 13 intervals of the distance R to the shower center. The
particlearrivaltimesarereconstructedbyunfoldingdetectorsignalpulsessampledby
a Flash-ADC based data acquisition system connected to the e/γ- and μ-detectors of
eight detector stations of the KASCADE detector array. For distances R>200m par-
ticles of the muonic shower component arrive on average earlier at observation level
thanparticlesoftheelectromagneticshowercomponent. Thisdifferenceinarrivaltime
isusedtodetermineacutontheparticlearrivaltimeasafunctionofthedistancefrom
the shower center. This cut is intended to be used by experiments with time resolving
detectorsfortheseparationofelectronsandmuonsaccordingtotheirarrivaltimesrel-
ativetothearrivaltimeoftheshowercore. Particleswitharrivaltimessmallerthanthe
cut are considered as muons. Due to the large spread of the arrival time distributions
the number of muons reconstructed in this way will contain a contribution from the
electromagnetic shower component. For each separation cut value the purity of the
reconstructedmuonsampleisdetermined.
Zusammenfassung
In der vorliegenden Arbeit werden Elektronen und Myonen in ausgedehnten
Luftschauern, die mit dem KASCADE-Grande-Experiment am Forschungszentrum
Karlsruhe gemessen wurden, hinsichtlich ihrer Ankunftszeiten am Boden studiert.
KASCADE-Grande ist ein Experiment zur Messung ausgedehnter Luftschauer, die
14von Teilchen der prima¨ren kosmischen Strahlung im Energiebereich von 10 eV bis
1810 eV in der Erdatmospha¨re erzeugt werden. Etwa 290.000 Luftschauer, die zwi-
schen Januar 2005 und Februar 2006 gemessen wurden, werden verwendet, um fu¨r
13 Intervalle des Abstandes R zum Schauerzentrum Verteilungen der Teilchenan-
kunftszeiten zu erzeugen. Die Teilchenankunftszeiten werden unter Verwendung ei-
nes Entfaltungsalgorithmus aus Detektorsignalen extrahiert, die mittels eines Flash-
ADC basierten Datennahmesystems digitalisiert wurden, welches an die e/γ- und μ-
¨Detektoren von acht Stationen des KASCADE-Detektorfeldes angeschlossen ist. Fur
Absta¨nde R>200m erreichen die Myonen den Boden im Mittel fru¨her als die Elek-
tronen. Diese Differenz in der Teilchenankunftszeit wird verwendet, um einen Schnitt
auf die Teilchenankunftszeit als Funktion des Abstandes zum Schauerzentrum zu be-
stimmen. Dieser Schnitt ist fu¨r Experimente mit zeitauflo¨senden Detektoren gedacht,
um Elektronen und Myonen anhand ihrer Ankunftszeiten relativ zur Ankunftszeit des
Schauerkerns zu trennen. Teilchen mit Ankunftszeiten kleiner als der Schnitt werden
als Myonen betrachtet. Wegen der großen Streuung der Verteilungen der Teilchenan-
kunftszeiten wird die Zahl der Myonen, die auf diese Weise bestimmt wird, einen
¨Beitrag der elektromagnetischen Schauerkomponente enthalten. Fur jeden Wert des
Schnitts auf die Teilchenankunftszeit wird die Reinheit der rekonstruierten Myonaus-
wahlbestimmt.Contents
1 Introduction 1
2 Cosmicraysandextensiveairshowers 3
2.1 Energyspectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 Compositionofcosmicrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3 Accelerationandpropagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.4 Originoftheknee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.5 Extensiveairshowers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3 TheKASCADE-Grandeexperiment 17
3.1 TheKASCADEexperiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.1.1 Thecentraldetector. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.1.2 Themuontrackingdetector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1.3 TheKASCADEarray . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2 TheGrandearray . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.3 ThePiccoloarray . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4 TheKASCADEFlash-ADCsystem 29
4.1 TheelectronicsoftheKASCADEFADCsystem . . . . . . . . . . . . 30
4.2 TheKASCADEFADCdataacquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . 33VI Contents
4.3 Offlinesignalprocessing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
5 Reconstructionandsimulationofextensiveairshowers 35
5.1 Reconstructionofairshowers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.2 SimulationofextensiveairshowersforKASCADE-Grande . . . . . . . 39
6 SynchronizationoftheKASCADEandtheGrandearray 41
6.1 Originofthetimemismatch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
6.2 Determinationofthetimeoffset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
6.3 MeasurementoftheGrandeTimeLabel . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
6.4 Assignmentofthecorrectoffset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
6.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
7 UnfoldingparticlearrivaltimesfromFADCsignals 55
7.1 Theunfoldingalgorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
7.2 Determinationoftheaverageminimumionizingparticledetectorresponse 57
7.2.1 SelectionoftheFADCsignalpulsesusedforthedetermination
oftheaverageMIPdetectorresponse . . . . . . . . . . . . . . 58
7.2.2 Calibrationwiththemeanmostprobableenergydeposit . . . . 60
7.3 Generationoftheresponsematrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
7.4 Determinationofthenumberofiterationsfortheunfoldingalgorithm . 64
7.5 Performanceoftheunfoldingalgorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
7.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
8 Extractionofparticlearrivaltimedistributions 71
8.1 Alignmentofunfoldedparticlearrivaltimesrelativetotheshowerplane 72
8.1.1 Determination of the discriminator threshold transition within
theFADCsignalpulses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73Contents VII
8.1.2 Accuracyofthereconstructedshowercorearrivaltime . . . . . 76
8.1.3 Applicationofcorrections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
8.2 Dataselection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
8.2.1 Signalselection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
8.3 Subtractionofthemuoncontentintheelectronarrivaltimedistributions 81
8.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
9 Analysisoftheparticlearrivaltimedistributions 87
9.1 Determinationoftheparticlearrivaltimecut . . . . . . . . . . . . . . . 87
9.1.1 Separation cut values determined from the mean values of the
distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
9.1.2 Separation cut values determined from various quantiles of the
distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
9.1.3 Separation cut values determined from results of a Γ-function
fittothedistributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
9.1.4 SeparationcutvaluesdeterminedfromresultsofaLog-normal-
functionfittothedistributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
9.1.5 Dependenceonthezenithangle . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
9.1.6 Dependenceontheprimaryenergy . . . . . . . . . . . . . . . 97
9.2 Studyofsystematicuncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
9.2.1 Influenceoftheprecisionofthereconstructedcoreposition . . 99
9.2.2 InfluenceofavariationoftheaverageMIPdetectorresponse . . 101
9.2.3 Influenceofthecorrectiontotheshowercorearrivaltime . . . 103
9.2.4 Influence of the correction to the reconstructed position of the
discriminatorthresholdtransition . . . . . . . . . . . . . . . . 104
9.2.5 Overallsystematicerror . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
9.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108VIII Contents
10 Summary 111
A Extractionoftheoffsetvaluesfromtheoffsetdistributions 115
B Determinationofthenumberofiterationsfortheunfoldingalgorithm 117
C Arrivaltimedistributionsoftheelectromagneticandmuonicshowercom-
ponents 119
D Resultsfortheseparationcutvalues,muonpuritiesandsystematicstud-
ies 125
D.1 Separationcutvaluesdeterminedwiththemeanvalues . . . . . . . . . 126
D.2 Separationcutvaluesdeterminedwiththequantiles . . . . . . . . . . . 127
D.3 SeparationcutvaluesdeterminedwithresultsfromtheΓ-functionfit . . 129
D.4 SeparationcutvaluesdeterminedwithresultsfromtheLog-normal-fit . 132
D.5 Influenceoftheprecisionoftheshowercoreposition . . . . . . . . . . 135
D.6 Influenceofthesizeoftheaverag