Reconstruction of extensive air showers and measurement of the cosmic ray energy spectrum in the range of 1 - 80 PeV at the South Pole [Elektronische Ressource] / von Stefan Klepser

Klepser Stefan

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• Publié le: 01 janvier 2008
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Extrait

Reconstruction of Extensive Air Showers and
Measurement of the Cosmic Ray Energy
Spectrum in the Range of 1 – 80 PeV at the
South Pole
DISSERTATION
zur Erlangung des akademischen Grades
doctor rerum naturalium
(Dr. rer. nat.)
im Fach Physik
eingereicht an der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I
Humboldt-Universität zu Berlin
von
Herr Dipl.-Phys. Stefan Klepser
geboren am 26.11.1977 in Heilbronn-Neckargartach
Präsident der Humboldt-Universität zu Berlin:
Prof. Dr. Dr. h. c. Christoph Markschies
Dekan der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I:
Prof. Dr. Lutz-Helmut Schön
Gutachter:
1. Prof. Dr. Hermann Kolanoski
2. Prof. Dr. Thomas K. Gaisser
3. Prof. Dr. Lohse
eingereicht am: 24.04.2008
Tag der mündlichen Prüfung: 24.06.2008Abstract
2IceTop is a km scale detector array for highly energetic cosmic radia-
tion. It is a part of the IceCube Observatory that is presently being built
at the geographic South Pole. It aims for the detection of huge particle
cascades induced by PeV cosmic rays in the atmosphere. These extensive
air showers are detected by cylindrical ice tanks that collect the Cherenkov
light produced by penetrating particles. The main goal of IceTop is the
investigation of the energy distribution and chemical composition of PeV to
EeV cosmic rays. This thesis presents the first analysis of highly energetic
cosmic ray data taken with IceTop.
First, thelightresponseoftheIceToptanksisparametrisedasafunction
of energy and particle type. An expectation function for the distribution of
shower signals in the detector plane is developed. The likelihood fit based
◦on that can reconstruct the recorded shower events with resolutions of 1.5
in direction, 9 m in location of the shower center, and 12 % in energy. This
is well competitive with other experiments.
The resulting energy response of the array is studied to set up response
matrices for different primary nuclei and inclinations. These allow for a de-
convolution of the distribution of reconstructed energies to derive the real
energy spectrum. Two unfolding algorithms are implemented and studied,
and response matrices are modeled for four different composition assump-
tions. With each assumption, energy spectra are unfolded for three different
11 2binsininclination, usingadatasamplewithanexposureof 3.86·10 m s sr,
taken in August 2007. The range of the spectrum is 1 – 80PeV.
Finally, a new analysis method is developed that uses the fact that
cosmic rays in the PeV range are expected to be isotropic. It is shown that
this requirement can be used for a likelihood estimation that is sensitive
to composition without using additional information from other detector
components. Theanalysisshowsaclearpreferenceofthemixedcomposition
models over pure proton or iron assumption.
The spectrum with the highest likelihood shows good agreement with
results from other experiments within the systematic uncertainties. The
foundpositionoftheso-calledkneefeatureis 3.1±0.3 (stat.)±0.3 (sys.) PeV,
the power indices before and after that are γ =−2.71± 0.07 (stat.) and1
γ =−3.110± 0.014 (stat.)± 0.08 (sys.).2
Keywords:
IceCube, IceTop, Energy Spectrum, Cosmic RaysviZusammenfassung
IceTop ist ein Detektorfeld für hochenergetische kosmische Strahlung, das
momentan am geographischen Südpol errichtet wird. Es ist ein Teil des
IceCube-Observatoriums und wird nach Fertigstellung eine Fläche von ei-
nem Quadratkilometer überspannen. Es zielt auf den Nachweis hochener-
getischer Teilchenkaskaden ab, die von kosmischer Strahlung mit Energi-
en im PeV-Bereich induziert werden. Diese Luftschauer werden mit Hilfe
zylindrischer Eistanks aufgezeichnet, in denen von den Sekundärteilchen
produziertes Tscherenkov-Licht gemessen wird. Die vorliegende Dissertati-
on beinhaltet die erste Analyse hochenergetischer kosmischer Strahlung mit
dem IceTop-Detektor.
Zunächst wird hierfür die Lichtausbeute der Detektortanks in Abhän-
gigkeit von Energie und Teilchensorte parametrisiert. Dies ermöglicht die
Erstellung einer Funktion zur Beschreibung der Erwartungswertverteilung
der Schauersignale in der Detektorebene, und eines entsprechenden Anpas-
sungsverfahrens, dass zur Rekonstruktion der Schauer verwendet wird. Die
◦damit erreichten Auflösungen sind 1,5 in der Richtung, 9 m in der Position
des Schauerzentrum, und etwa 12 % in der Primärnergie, was vergleichbar
ist mit denen anderer Experimente derselben Größe.
NachdemdieEreignisrekonstruktionverifiziertwurde,wirddasAnsprech-
verhalten von IceTop im Bezug auf die Energie genauer evaluiert. Aus den
Ergebnissen werden Faltungsmatrizen für unterschiedliche Primärteilchen-
sorten und Zenithwinkel-Abschnitte extrahiert. Diese können dazu dienen,
unter einer bestimmten Primär-Kompositionsannahme eine Entfaltung der
gemessenen Verteilungen vorzunehnehmen, was zum tatsächlichen Energie-
spektrum führt.
Zu diesem Zweck werden zwei Entfaltungsalgorithmen vorgestellt, und
vier unterschiedliche Faltungsmatrizen für verschiedene Kompositionsan-
nahmen berechnet. Im August 2007 genommene Daten mit einer Exposi-
11 2tion von 3,86· 10 m s sr werden in drei Zenithwinkel-Abschnitte eingeteilt
und separat mit den vier Kompositionsmodellen entfaltet. Die gewonnenen
Spektren decken einen Energiebereich von 1 – 80PeV ab.
Um die Ergebnisse auszuwerten, wird die Tatsache zu Hilfe genommen,
dass der Fluss der kosmischen Strahlung im PeV-Bereich vollkommen iso-
trop zu erwarten ist. Mit dieser Forderung lassen sich Wahrscheinlichkeiten
definieren,diesensitivsindaufdieKonsistenz,undsomitaufdieKorrektheit
der Kompositionsannahmen. Diese neue Methode ermöglicht prinzipiell eineUntersuchung der Komposition ohne Zuhilfenahme weiterer Detektorkom-
ponenten.DieAnalysezeigteineklarePräferenzderModellemitgemischter
Komposition.
Schließlich wird das Spektrum mit der höchsten relativen Wahrschein-
lichkeit mit Ergebnissen aus anderen Experimenten verglichen. Die gemes-
senen Parameter stimmen innerhalb der systematischen Unsicherheiten gut
überein. Die ermittelte Position des sogenannten Knies des Spektrums ist
3,1± 0,3 (stat.)± 0,3 (sys.) PeV, die Exponenten davor und danach sind
γ =−2,71± 0,07 (stat.) und γ =−3,110± 0,014 (stat.)± 0,08 (sys.).1 2
Schlagwörter:
IceCube, IceTop, Energiespektrum, Kosmische Strahlung
viiiContents
Preface 1
1 Charged Cosmic Rays 3
1.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.1 Fermi Acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.2 Top-Down Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3 Propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.1 Galactic Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.2 Extragalactic Interactions . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4 Knee Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4.1 Poly-Gonato Parametrisation . . . . . . . . . . . . . 15
1.5 Extensive Air Showers (EAS) . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.5.1 Phenomenology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.5.2 Some Recent Experiments . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.5.3 Simulation of EAS with CORSIKA . . . . . . . . . . 22
2 The IceCube Observatory 27
2.1 IceCube . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.1.1 Detector Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.1.2 The Digital Optical Module (DOM) . . . . . . . . . . 28
2.1.3 Physical Goals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2 IceTop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.2.1 Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.2.2 Physical Goals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3 Calibration and Data Acquisition 39
3.1 Cherenkov Light and Energy Deposit . . . . . . . . . . . . . 39
3.2 Pulse Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.3 Tank Calibration and Pulse Selection . . . . . . . . . . . . . 41
3.4 Trigger Settings and Event Rate . . . . . . . . . . . . . . . . 43
ix4 Tank Response and its Fluctuations 46
4.1 Tank Response Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.1.1 tanktop vs. IceTray Simulation . . . . . . . . . . . . 46
4.1.2 Muons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.1.3 Electromagnetic Particles . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.1.4 Nucleons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.1.5 Other hadronic particles . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.2 Fluctuation of Tank Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.2.1 Tank-to-Tank approach . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.2.2 Circular approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.2.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5 Reconstruction of Air Showers 53
5.1 Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.2 First Guess Reconstructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.2.1 Shower COG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.2.2 Plane Fit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54