Instruments and methods for the radio detection of high energy cosmic rays [Elektronische Ressource] / von Frank Gerhard Schröder

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• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 13
• Langue: English
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Extrait

Instruments and Methods
for the Radio Detection
of High Energy Cosmic Rays
Zur Erlangung des akademischen Grades eines
DOKTORS DER NATURWISSENSCHAFTEN
von der Fakult¨at fu¨r Physik des
Karlsruher Instituts fu¨r Technologie (KIT)
genehmigte
DISSERTATION
von
Dipl. Phys. Frank Gerhard Schr¨oder
aus Wiesbaden
Karlsruhe
Dezember 2010
Tag der mu¨ndlichen Pru¨fung: 11. Februar 2011
Referent: Prof. Dr. Johannes Blu¨mer,
Institut fu¨r Kernphysik und Institut fu¨r Experimentelle Kernphysik
Koreferent: Prof. Dr. Hartmut Gemmeke,
Institut fu¨r Prozessdatenverarbeitung und ElektronikAbstract
Instruments and Methods for the Radio Detection
of High Energy Cosmic Rays
15Cosmic rays at energies above & 10 eV cannot be measured directly due to
the low flux. Instead, the properties of the primary cosmic ray particles (arrival
direction, energy, mass) have to be reconstructed from measurements of secondary
particlesforminganairshower. Forthis,digitalradioantennaarrays,likeLOPESat
the Karlsruhe Institute of Technology (KIT), are a relatively new instrument. The
radioemissionmainlyoriginatesfromthedeflectionofsecondaryairshowerelectrons
and positrons in the Earth’s magnetic field. The radio technique aims at achieving
a similar quality in the reconstruction of air shower parameters as the established
Cherenkov or fluorescence light detection methods, which in contrast to the radio
technique are limited to dark, moonless nights.
The present studies aim to advance the air shower radio detection in technological
aspects and analysis methods. The developments are mainly applied to LOPES, but
also provide a useful set of tools, which will soon be applied on the analysis of first
AERA measurements. AERA is a next generation digital radio array at the Pierre
Auger Observatory in Argentina. Moreover, this thesis reflects the recent progress
in the understanding of the radio emission by air showers. The main results of the
studies are:
• Anewmethodfortimecalibrationwithareferencebeaconhasbeendeveloped.
It allows a time resolution of ∼ 1ns even with large antenna arrays. This is
necessary for digital radio interferometry which improves the signal-to-noise
ratio and the reconstruction accuracy of the primary particle properties. This
method is essential for the measurement of cosmic rays with LOPES, and is
going to be applied at AERA.
• A per-event comparison of lateral distributions measured with LOPES and
REAS3 simulations reflects a significantly improved understanding of the ra-
dio emission mechanisms. For the first time a Monte Carlo simulation of the
radio emission by air showers can in average reproduce measured data. A
detailed investigation of systematic effects was performed to accurately recon-
structLOPESlateraldistributions. Inparticular,amethodhasbeendeveloped
to appropriately treat the influence of radio noise on measured lateral distri-
butions.
• It is shown that a conical radio wavefront fits LOPES measurements and
REAS3 simulations better than a spherical wavefront, which up to now has
been assumed for LOPES beamforming analyses. Furthermore, the atmo-
spheric depth of the shower maximum X can be reconstructed by deter-max
mining the opening angle of the conical wavefront. However, due to the small
lateral extension of LOPES of about 200m and the high radio background at
2KIT, the measurement uncertainty (ΔX ≈ 200g/cm ) is too large for amax
per-eventreconstructionoftheprimarymass. ThiswillimproveatAERA,but
could not be examined in detail because of a delay in the construction.
IZusammenfassung
Instrumente und Methoden zur Radiomessung
hochenergetischer kosmischer Strahlung
15KosmischeStrahlungbeiEnergien&10 eVkannaufgrundihresgeringenFlusses
nicht direkt gemessen werden. Stattdessen mu¨ssen die Eigenschaften der Prim¨ar-
teilchen (Ankunftsrichtung, Energie, Masse) aus der Messung der Sekund¨arteilchen
von Luftschauern rekonstruiert werden. Ein vergleichsweise neues Instrument dafu¨r
sind digitale Radioantennenfelder, wie LOPES am Karlsruher Institut fu¨r Technolo-
gie (KIT). Die Radioemission von Luftschauern entsteht haupts¨achlich durch die
Ablenkung sekunda¨rer Elektronen und Positronen im Erdmagnetfeld. Ziel der Ra-
diomessmethodeistes,einevergleichbareRekonstruktionsqualit¨atwiedieetablierten
Cherenkov- und Fluoreszensmessmethoden zu erreichen, die im Gegensatz zur Ra-
diomessmethode allerdings auf dunkle, mondlose Na¨chte begrenzt sind.
DieseArbeitzieltdarauf, dieRadiomessmethodehinsichtlichAnylsetechnikenund
technologischer Aspekte weiterzuentwickeln. Die gewonnenen Erkenntnisse werden
bereits bei LOPES und bald auch zur Analyse erster AERA-Daten angewendet.
AERA ist ein digitales Radiomessfeld der n¨achsten Generation, das am Pierre-
Auger-Observatorium in Argentinien aufgebaut wird. Daru¨ber hinaus konnte diese
Arbeit deutliche Fortschritte beim Verst¨andnis der Radioemission erreichen. Die
wesentlichen Ergebnisse sind:
• Eine neue Methode zur Zeitkalibration mit einen Rerefenzsender (Beacon)
wurde entwickelt, die auch bei großen Radiomessfeldern eine Zeitaufl¨osung
von ∼ 1ns erm¨oglicht. Dies ist notwendig, um digitale Interferometrie zu
betreiben und so das Signal-zu-Rausch-Verha¨ltnis und damit die Rekonstruk-
tionsgenauigkeit der Prim¨arteilcheneigenschaften zu erho¨hen. Diese Methode
ist wesentlich fu¨r Messungen mit LOPES und wird auch bei AERA verwendet.
• EinVergleichderLateralverteilungeneinzelnerLOPES-EreignissemitREAS3-
Radiosimulationen spiegelt ein deutlich verbessertes Verst¨andnis der Radioe-
missionsmechanismenwider. ErstmalskanneineMonte-Carlo-SimulationMess-
daten reproduzieren. Bei der Rekonstruktion der LOPES-Lateralverteilungen
ist die Beachtung verschiedener Systematiken von Belang. Insbesondere wurde
eine Methode entwickelt, die den Einfluss von Radiorauschen auf gemessene
Lateralverteilungen angemessen beru¨cksichtigt.
• Es wird gezeigt, dass eine konische Wellenfront besser zu LOPES-Messungen
und REAS3-Simulationen passt als eine sph¨arische Wellenfront, wie sie bisher
in LOPES-Beamforming-Analysen angenommen wurde. Zudem kann die at-
mosph¨arische Tiefe des Schauermaximums X aus Messungen der Radio-max
wellenfront bestimmt werden. Wegen der kleinen Ausdehnung von LOPES
von etwa 200m und des hohen Radiountergrunds am KIT, ist der Messfehler
2mit ΔX ≈200g/cm allerdings zu groß fu¨r eine Massenbestimmung einzel-max
ner Prim¨arteilchen. Bei AERA ist eine h¨ohere Genauigkeit zu erwarten, was
aufgrund von Verzo¨gerungen beim Aufbau von AERA allerdings nicht n¨aher
untersucht werden konnte.
IIContents
Abstract II
1 Introduction 1
2 Cosmic Rays 3
2.1 Origin of cosmic rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2 Cosmic ray air showers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3 Classical measurement techniques for air showers . . . . . . . . . . . . 8
2.4 Radio emission from air showers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.4.1 Features of air shower induced radio pulses . . . . . . . . . . . 10
2.4.2 Emission mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3 Radio Experiments for Air Shower Detection 15
3.1 Overview of modern radio experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2 LOPES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2.1 Setup of LOPES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2.2 LOPES analysis pipeline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.3 Radio detection at the Pierre Auger Observatory . . . . . . . . . . . . 25
3.3.1 Radio prototype setups . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.3.2 AERA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
line3.3.3 Off analysis software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4 Time Calibration of LOPES 31
4.1 Amplitude calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.2 Need for a precise time calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.3 Measurement of antenna positions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.4 Measurement of the relative delays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.5 Pulse distortion by dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.6 Monitoring of the timing with a beacon . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.7 Conclusions on the time calibration of LOPES . . . . . . . . . . . . . 49
5 A Reference Beacon for the Auger Engineering Radio Array 51
5.1 Proof of principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.1.1 Test measurements at the AERA site . . . . . . . . . . . . . . 53
5.1.2 Test measurements at the BLS . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.1.3 Conclusions for AERA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.2 AERA Beacon system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.2.1 Design and installation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.2.2 Performance of the beacon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.3 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
IIIContents
6 Treatment of Noise 67
6.1 Noise and RFI . . . . . . . . .