Large scale anisotropy studies of ultra high energy cosmic rays using data taken with the surface detector of the Pierre Auger Observatory [Elektronische Ressource] / Marius Grigat

Marius Grigat

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• Physik

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 2
• Langue: English
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Extrait

Large Scale Anisotropy Studies
of Ultra High Energy Cosmic Rays
Using Data Taken with the Surface Detector
of the Pierre Auger Observatory
Von der Fakulta¨t fu¨r Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften der
RWTH Aachen University zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Diplom-Physiker
Marius Grigat
aus Waldbro¨l
Berichter: Prof. Dr. Thomas Hebbeker
Prof. Dr. Martin Erdmann
Tag der mu¨ndlichen Pru¨fung: 10.06.2011
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfu¨gbar.”Fast is fine, but accuracy is everything.”
Wyatt Earpfor Julia, Paula and TillAbstract
The distribution of arrival directions of cosmic rays is remarkably uniform over the complete spectrum
of energies. At large angular scales only tiny deviations from isotropy have been observed and huge
statistics are required to quantify the corresponding amplitudes. The measurement of cosmic rays
15with energies above 10 eV is only feasible with large, earthbound observatories: The cosmic ray
primary particles initiate cascades of secondary particles in the Earth’s atmosphere. Every aspect of
the development of these air showers down to the measurement of the resulting particles at ground
level needs to be well understood and controlled in order to precisely reconstruct the properties of the
primary particle. The development of air showers is subject to systematic distortions caused by the
magnetic field of the Earth. Both this and other local effects are capable of inducing false anisotropy
into the distribution of arrival directions. In this thesis, the effect of the geomagnetic field on the
energy measurement is modelled and quantified; consequently, a correction of the energy estimator
is derived. Furthermore, a method is introduced to fit dipolar patterns to the distribution of arrival
directions of cosmic rays as observed from the field of view of the surface detector of the Pierre
Auger Observatory. After correcting for all relevant local effects the method is applied to data and
the parameters of a potentially underlying dipole are determined and evaluated.
Zusammenfassung
Die Verteilung der Ankunftsrichtungen kosmischer Teilchen ist auffallend gleichfo¨rmig im gesam-
ten Energiebereich. Bei großen Winkelskalen wurden nur kleine Abweichungen von Isotropie be-
obachtet und eine Vielzahl von Einzelmessungen ist erforderlich um die entsprechenden Amplitu-
15den zu quantifizieren. Die Messung kosmischer Teilchen mit Energien oberhalb von 10 eV ist nur
mo¨glich mit großen, erdgebundenen Observatorien: Kosmische Prima¨rteilchen lo¨sen Kaskaden von
Sekunda¨rteilchen in der Erdatmospha¨re aus. Jeder Aspekt der Entwicklung dieser Luftschauer bis
zur Messung der resultierenden Teilchen auf Bodenho¨he bedarf guten Versta¨ndnisses, um die Eigen-
schaften des Prima¨rteilchens pra¨zise rekonstruieren zu ko¨nnen. Die Entwicklung von Luftschauern
unterliegt systematischen Verzerrungen durch das Magnetfeld der Erde. Dieser und andere lokale Ef-
fekte sind imstande unechte Anisotropie in der Verteilung der Ankunftsrichtungen hervorzurufen. In
dieser Arbeit wird der Effekt des Erdmagnetfeldes auf die Energiemessung modelliert und quantifi-
ziert; eine entsprechende Korrektur des Energiescha¨tzers wird abgeleitet. Des weiteren wird eine Me-
thode eingefu¨hrt zur Anpassung eines Dipols an die Verteilung der Ankunftsrichtungen kosmischer
Teilchen aus Sicht des Oberfla¨chendetektors des Pierre Auger Observatoriums. Nach der Korrektur
sa¨mtlicher relevanter lokaler Effekte wird diese Methode auf Daten angewendet und die Parameter
eines mo¨glicherweise zugrundeliegenden Dipols werden ermittelt und bewertet.CONTENTS
Contents
1 Introduction 1
2 Ultra High Energy Cosmic Rays and Extensive Air Showers 3
2.1 Cosmic Rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2 Extensive Air Showers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2.1 Electromagnetic Component . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.2 Hadronic Component . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.3 Muonic Component . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3 Flux of Cosmic Rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.4 Composition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.5 Anisotropy of Arrival Directions of Cosmic Rays . . . . . . . . . . . . . . 14
2.5.1 Propagation and Magnetic Deflection . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.5.2 Sources of Cosmic Rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.5.3 Point Source Searches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.5.4 Large Scale Anisotropy Searches . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3 The Pierre Auger Observatory 27
3.1 Fluorescence Detector FD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.1.1 Angular Reconstruction of the FD . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.1.2 Energy and Composition Reconstruction of the FD . . . . . . . . . 30
3.2 Surface Detector SD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2.1 Trigger System of the SD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2.2 Measures of the Size of the SD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.2.3 Angular Reconstruction of the SD . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2.4 Energy Estimator of the SD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.3 Further Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4 Angular Resolution of the Surface Detector 47
4.1 Angular Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.1.1 AR from Angular Reconstruction Uncertainty Estimates . . . . . . 49
4.1.2 AR from Comparison to Hybrid Direction . . . . . . . . . . . . . . 51
4.2 Angular Reconstruction Systematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.2.1 Concept of the Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.2.2 Systematics from Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.2.3 Remarks and Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58X CONTENTS
5 Local Effects Inducing False Anisotropy 63
5.1 Varying Area of the SD over Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.2 Varying Atmospheric Conditions over Time . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.3 Effect of the Geomagnetic Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.3.1 Intuitive Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.3.2 Rigorous Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.3.3 Model Parameters from Simulations of Air Showers . . . . . . . . 78
5.3.4 Systematic Uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.3.5 Impact on Anisotropy Searches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.3.6 Correction of the Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6 Methods to Study Large Scale Anisotropy 85
6.1 Methods in Two Dimensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.1.1 Rayleigh Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.1.2 Wavelet Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
6.2 Dipole Fit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.2.1 Maximum Likelihood Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
26.2.2 Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.2.3 Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
7 Monte Carlo Studies 101
7.1 Monte Carlo Sky Maps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
7.2 Parameter Reconstruction Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
7.2.1 Reconstruction Precision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
7.2.2 Isotropy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
7.2.3 Significance of Amplitude Measurements . . . . . . . . . . . . . . 114
7.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
8 Application to Data 119
8.1 Data Set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
8.2 Correction of Local Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
8.3 Dipole Parameters from Application to Data . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
8.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
9 Summary 127
A Coordinate Systems 129
A.1 Geographic Coordinates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
A.2 Local Coordinates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
A.3 Equatorial Coordinates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
A.4 Hammer Projection of Spherical Coordinates . . . . . . . . . . . . . . . . 132
A.5 Shower Coordinates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
B Extensive Air Shower Simulations 135
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