The energy spectrum of primary cosmic rays measured with the KASCADE-Grande experiment [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Dirk Kickelbick

Dirk Kickelbick

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• Astronomie
• Physik

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• Publié par: universitat_siegen
• Publié le: 01 janvier 2008
• Nombre de lectures: 11
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 7 Mo

Extrait

The energy spectrum of
primary cosmic rays measured
with the KASCADE-Grande
experiment
DISSERTATION
zurErlangungdesakademischenGrades eines
DoktorsderNaturwissenschaften,
vorgelegtvon
Diplom-Physiker Dirk Kickelbick
geborenam18.Juni1974inStollberg
genehmigtvomFachbereich Physik
¨derUniversitatSiegen.
Siegen
Juni2008GutachterderDissertation: Univ.-Prof.Dr.P.Buchholz
Univ.-Prof.Dr.C.Grupen
DatumderDisputation: 11.Juli2008
gedrucktaufalterungsbesta¨ndigemholz-undsa¨urefreiem PapierAbstract
The measurement of the energy spectrum of cosmic rays is an important tool to re-
veal the nature of cosmic rays. In order to measure the cosmic rays up to an energy of
1810 eV,the KASCADEexperimentwasextendedto KASCADE-Grande. Itisaground
based detector to measure extensive air showers, which are initiated by the primary
particles of the cosmic radiation. In order to obtain the energy spectrum, data from
December 2003 to September 2007 are analyzed by using the method of constant in-
tensity. Thismethodisapplied tothenumberofcharged particles inanairshowerand
leadstoazenithangleindependent numberofcharged particles, whichisameasureof
theshowersize. Simulationsofairshowersarethenusedtocalibratetheshowersizeto
16the primary energy. Thus, the primary energy spectrum inthe energy range of10 eV
18 16 17to 10 eV is determined. In the energy region from 10 eV to 10 eV the resulting
spectrum andthespectrummeasuredwith KASCADEoverlap. Bothmeasurementsare
in good agreement in this energy range. Due to the extended energy range, the energy
spectrum of KASCADE-Grande connects the KASCADE spectrum with the measure-
mentsofexperimentslikeAGASA,AugerandHiRes,whichmeasureuptothehighest
energies of cosmic rays.
Zusammenfassung
DieMessung desEnergiespektrums dergeladenen kosmischen Strahlung isteinwich-
tiges Hilfsmittel, um die Natur der kosmischen Strahlung aufzudecken. Das KAS-
CADE-Grande-Experiment ist eine Erweiterung des KASCADE-Experiments, um den
18messbaren Energiebereich auf 10 eV zu erweitern. Es ist ein Experiment zur Mes-
sung ausgedehnter Luftschauer am Boden. Ausgedehnte Luftschauer werden durch
diePrima¨rteilchen derkosmischen Strahlung inderAtmospha¨re erzeugt. Fu¨rdieAna-
lyse werden Messdaten von Dezember 2003 bisSeptember 2007 ausgewertet. Umdas
Energiespektrum zu bestimmen, wird die Methode der konstanten Intensita¨t auf die
Anzahl der geladenen Teilchen des Luftschauers angewendet. Diese Methode liefert
eine zenitwinkelunabha¨nge Anzahl der geladenen Teilchen, welche ein Maß fu¨r die
Schauergro¨ße ist. Simulationen von Luftschauern werden verwendet, um die Schau-
ergro¨ße mit der Prima¨renergie zu kalibrieren. Damit kann das Energiespektrum im
16 18Bereich von 10 eV bis 10 eV bestimmt werden. Dieses u¨berlappt im Energiebe-
16 17reich von 10 eV bis 10 eV mit den Messungen von KASCADE. Beide Messungen
stimmen in diesem Energiebereich gut u¨berein. Durch die Vergro¨ßerung des messba-
renEnergiebereiches wirdeineVerbindung zwischem demgemessenen Spektrum von
KASCADE und den Messungen von Experimenten wie AGASA, Auger oder HiRes
hergestellt, die bis zuden ho¨chsten Energien der kosmischen Strahlung messen.Contents
1 Introduction 1
2 Cosmic rays 3
2.1 Energyspectrumofthecosmicrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2 Thecompositionofcosmicrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3 Accelerationandpropagationofcosmicrays . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.4 Theoriginoftheknee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.5 Extensiveairshowers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3 The KASCADE-Grande experiment 15
3.1 The KASCADE detectorarray . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.1.1 Thee/γ detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.1.2 The μ detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.1.3 TheFADCsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.1.4 Dataacquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.2 Thecentraldetector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2.1 Hadroncalorimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2.2 Themuonchambersystemandtriggerplane . . . . . . . . . . 20
3.2.3 Topclusterandtoplayer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.3 Themuontrackingdetector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.4 The Grandearray . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.5 The Piccoloarray . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.6 Centraldataacquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4 Reconstruction and simulation of extensive air showers 25
4.1 Reconstructionofextensiveairshowersin KASCADE-Grande . . . . . 25
4.2 Simulationofextensiveairshowersfor KASCADE-Grande . . . . . . . 28
5 Data sample selection 31
5.1 Qualitycuts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
5.2 Triggerandreconstructionefficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39VI Contents
6 Constant intensity method and corrected shower size spectra 41
6.1 Constantintensitymethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
6.1.1 Showersizespectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
6.1.2 Constantintensitycuts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
6.1.3 Attenuationcurves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
6.2 Corrected showersizespectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
6.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
7 Subsample selection and energy conversion 53
7.1 Showerfluctuationsandcompositiondependence . . . . . . . . . . . . 53
7.2 Subsamplecuts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
7.3 Energyconversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
7.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
8 All particle primary energy spectrum 65
8.1 Energycalibrationfunction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
8.2 Studyofsystematicuncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
8.2.1 Influence of the uncertainty in the shower core position recon-
struction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
8.2.2 Influence oftheprecisioninthearrivaldirectionreconstruction 71
8.2.3 Influence of the precision of the reconstructed number of
charged particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
8.2.4 Influence oftheuncertaintiesofthevariousappliedfits . . . . . 75
8.2.5 Influence oftheprimarycomposition . . . . . . . . . . . . . . 79
8.2.6 Influence oftheshowerfluctuations . . . . . . . . . . . . . . . 79
8.2.7 Overallsystematicerror . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
8.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
9 Summary and conclusions 87
A Number of charged particles determined by applying the constant inten-
sity method 91
B Error propagation when using the constant intensity method 93
C Result of the application of the constant intensity method 97
C.1 Resultsoftheattenuationcurvefits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
◦C.2 Resultingshowersizespectrausingreference angle0 . . . . . . . . . 99
◦C.3 Comparingthecorrectedshowersizespectraforthereferenceangles0
◦and21 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
C.4 Corrected showersizespectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
D Examination of the shower fluctuations 103
D.1 Fluctuations of the number of charged particles for hydrogen induced
showers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104Contents VII
D.2 Fluctuationsofthenumberofcharged particlesforironinducedshowers 110
D.3 Fluctuationsofthenumberofmuonsforhydrogeninducedshowers . . 116
D.4 Fluctuationsofthenumberofmuonsforironinducedshowers . . . . . 122
D.5 Summaryofthefluctuationsforhydrogeninducedshowers . . . . . . . 128
E Examination of the energy conversion 131
E.1 Influenceofstandardqualitycutsontheeventdistributionoverthe KAS-
CADE-Grandearray . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
E.2 Distributionsofthemuonnumberasafunctionoftheprimaryenergy . 133
E.3 Profile plotsfortheenergyconversionusingstandardcuts . . . . . . . 136
E.4 Comparing results using subsample cuts with results using standard
qualitycuts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
F Energy spectrum with systematics 139
List of Figures 144
List of Tables 145
List of Acronyms 147
Bibliography 149
Danksagung 157Chapter 1
Introduction
Since their discovery in 1912, the interest in studying cosmic rays has grown steadily.
The cosmic radiation connects astrophysics with particle physics. In astrophysics, the
cosmicradiationprovidesinformationaboutastrophysicalprocessesofobjectsinouter
space. In particle physics, it can provide insights into particle interactions at very high
energies,whichcannotbeprovidedbyparticleaccelerators. Althoughthecosmicradi-
ation was discovered almost one century ago, fundamental questions are not answered
yet. Forexample,theoriginandtheaccelerationmechan