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Muon production in extensive air showers and fixed target accelerator data [Elektronische Ressource] / Christine Meurer

128 pages
Forschungszentrum Karlsruhe in der Helmholtz-Gemeinschaft Wissenschaftliche Berichte FZKA 7362 Muon Production in Extensive Air Showers and Fixed Target Accelerator Data C. Meurer Institut für Kernphysik März 2008 Forschungszentrum Karlsruhe in der Helmholtz-Gemeinschaft Wissenschaftliche Berichte FZKA 7362 Muon production in extensive air showers and fixed target accelerator data Christine Meurer Institut für Kernphysik Von der Fakultät für Physik der Universität Karlsruhe (TH) genehmigte DissertationForschungszentrum 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:0005-073622 Muon production in extensive airshowers and fixed target accelerator dataZur Erlangung des akademischen Grades einesDOKTORS DER NATURWISSENSCHAFTENvon der Fakultät für Physik derUniversität Karlsruhe (TH)genehmigteDISSERTATIONvonDiplom-Physikerin Christine Meureraus Ludwigshafen am RheinTag der mündlichen Prüfung: 29.06.2007Referent: Prof. Dr. Johannes BlümerKorreferent: Prof. Dr.
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Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz-Gemeinschaft
Wissenschaftliche Berichte
FZKA 7362









Muon Production in
Extensive Air Showers and
Fixed Target Accelerator
Data


C. Meurer
Institut für Kernphysik




















März 2008 Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz-Gemeinschaft
Wissenschaftliche Berichte
FZKA 7362

Muon production in extensive air showers and
fixed target accelerator data
Christine Meurer

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:0005-073622 Muon production in extensive air
showers and fixed target accelerator data
Zur Erlangung des akademischen Grades eines
DOKTORS DER NATURWISSENSCHAFTEN
von der Fakultät für Physik der
Universität Karlsruhe (TH)
genehmigte
DISSERTATION
von
Diplom-Physikerin Christine Meurer
aus Ludwigshafen am Rhein
Tag der mündlichen Prüfung: 29.06.2007
Referent: Prof. Dr. Johannes Blümer
Korreferent: Prof. Dr. Günter QuastAbstract
The aim of this thesis is to improve the reliability of EAS simulations by investigating
the role of hadronic interactions for muon production. The importance of low energy
interactions is studied and it is argued that current fixed target experiments can help to
reduce uncertainties in the low energy range. This is demonstrated by analyzing data
of the CERN fixed target experiment HARP on proton and pion interactions with a car-
bon target and by comparing the obtained production spectra with model predictions.
The simulation studies of the relevant energies and phase space regions of hadronic
interactions in EAS form the basis on the cosmic ray part of a proposal for a new fixed
target experiment. Early 2007 the proposal was accepted by CERN and the new NA61
experiment will take first p+C data at 30 GeV in autumn of 2007.
Myonerzeugung in ausgedehnten Luftschauern und niederenergetische
Beschleunigermessungen
Das Ziel dieser Arbeit ist die Verbesserung der Zuverlässigkeit von Luftschauer-Simu-
lationen, indem man die Bedeutung von hadronischen Wechselwirkungen untersucht,
die für die Myonproduktion relevant sind. Der Einfluss von niederenergetischen Wech-
selwirkungen wird betrachtet und es wird gezeigt, dass gegenwärtige Fixed-Target-
Experimente dazu beitragen können, die Unsicherheiten im Niederenergiebereich zu
reduzieren. Dies wird an Hand einer Datenanalyse des Fixed-Target-Experiments
HARP am CERN demonstriert. Bei diesem Experiment wurde sowohl ein Proton-
als auch Pion-Strahl auf ein Kohlenstoff-Target geschossen. Die aus dieser Anal-
yse gewonnenen Produktionsspektren werden mit Modellvorhersagen verglichen. Die
Simulationsstudien der relevanten Energie- und Phasenraumbereiche der hadronis-
chen Wechselwirkungen in Luftschauern bilden die Grundlage für den aus der As-
troteilchenphysik motivierten Beitrag eines Antrags für ein neues Fixed-Target-Expe-
riment. Anfang 2007 wurde der Antrag vom CERN genehmigt und das neue Experi-
ment NA61 wird die ersten p+C-Daten bei einer Energie von 30 GeV im Herbst 2007
nehmen.Contents
1 Introduction 1
2 Cosmic rays and extensive air showers 5
2.1 Cosmic ray flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Extensive air showers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3 Air shower simulation with CORSIKA . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3.1 Simulation package CORSIKA . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3.2 Hadronic multiparticle production and interaction models . . 14
3 Muon production in extensive air showers 23
3.1 General characteristics of muon production . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2 Relevant interaction energies and phase space . . . . . . . . . . . . . 29
3.2.1 Energy range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2.2 Phase space regions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3 Phase space coverage of fixed target experiments . . . . . . . . . . . 38
3.3.1 Existing p+Be data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.3.2 Existing p+C data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.3.3 Proposed experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4 The HARP experiment 43
4.1 Physics goals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.2 Experimental setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.3 Track and momentum reconstruction with the forward spectrometer . 46
4.4 Particle identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.5 Momentum calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.5.1 Momentum calibration using empty target data sets . . . . . . 50
4.5.2 Momentum calibration using elastic scattering events . . . . . 50
4.5.3 Momentum calibration using time-of-flight measurements . . 55
±5 Analysis of pion production in p+C and +C collisions 57
5.1 Data selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.1.1 Event selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.1.2 Track selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.2 Empty target subtraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
I
p5.3 Calculation of cross-section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.4 Calculation of correction matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.5 Error estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.5.1 Statistical errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.5.2 Systematic errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.6 Particle production spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.7 Sanford-Wang parametrization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6 Discussion of HARP data 85
6.1 Comparison of p+C HARP data at 12 GeV/c with model predictions . 85
6.2 Comparison of p+C data with preliminary p+O and p+N data . . . . 932 2
7 Conclusions and outlook 97
A Additional information on HARP data 99
+ − +A.1 Tables of cross-section for and production in p+C, +C and
−+C reactions at 12 GeV/c . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
A.2 Fit results of Sanford-Wang parametrization . . . . . . . . . . . . . . 108
References 111
Acknowledgements 117
pppp