Measurement of the chemical composition of ultra high energy cosmic rays with the HEAT telescopes of the Pierre Auger Observatory

Plum, Matthias; Hebbeker, Thomas; Wiebusch, Christopher

doi:urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-096694

Measurement of the chemical composition of ultra high energy cosmic rays with the HEAT telescopes of the Pierre Auger Observatory = Messung der chemischen Zusammensetzung der ultrahochenergetischen kosmischen Strahlung mit den HEAT-Teleskopen am Pierre Auger Observatorium

Plum, Matthias^RWTH*

2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Diplom-Physiker Matthias Plum

ImpressumAachen 2016

Umfang1 Online-Ressource (ix, 199 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2016

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Hebbeker, Thomas (Thesis advisor) ; Wiebusch, Christopher (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-11-07

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-096694
DOI: 10.18154/RWTH-2016-09669
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/674882/files/674882.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/674882/files/674882.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
kosmische Strahlung (frei) ; cosmic rays (frei) ; chemical compostion (frei) ; UHECR (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Das Pierre Auger Observatorium ist zur Zeit der weltweit größte Detektor für kosmische Strahlung mit Energien über 10^18 eV. Es nutzt eine Hybriddetektions-Methode mit Fluoreszenz-Teleskopen und Oberflächen-Detektoren. Kosmische Strahlung mit Energien über 10^15 eV kann nicht direkt gemessen werden, aber sie wechselwirkt mit der Atmosphäre und produzieren Kaskaden von Sekundärteilchen, die ausgedehnten Luftschauer. Die Entwicklung dieser Luftschauer enthält Information über die Energie, die Ankunftsrichtung und die chemische Zusammensetzung des Primärteilchen. Die Fluoreszenz-Teleskope vermessen das longitudinale, die Oberflächen-Detektoren das laterale Luftschauerprofil. Die Kombination von beiden Detektormethoden ermöglicht die Messung von kosmischer Strahlung mit sehr großer Genauigkeit. Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Messung der chemischen Zusammensetzung der kosmischen Strahlung mit Hilfe des virtuellen Fluoreszenz-Teleskop HECO, einer Kombination aus der Niederenergie-Erweiterung HEAT (High Elevation Auger Telescopes) und der Coihueco Teleskopstation. HEAT besteht aus 3 zusätzlichen Fluoreszenz-Teleskopen, mit denen die Energieschwelle der Luftschauer-Detektion auf unter 10^17.0 eV gesenkt wird.Die kosmische Strahlung mit Energien von 10^17 eV bis 10^18.4 eV werden untersucht, da in diesem Bereich der übergang von galaktischer zu extra-galaktischer kosmischer Strahlung erwartet wird.Für die Analyse der chemischen Zusammensetzung wird die Position des Luftschauermaximums Xmax in der Atmosphäre verwendet. Die statistische Verteilung von Xmax ist abhängig von der atomaren Masse der Primärteilchen.Es werden eine verbesserte Luftschauer-Profilrekonstruktion und verschiedene Kontrolltest der Daten und der Simulationen präsentiert. Eine Monte Carlo basierte Kompositionsanalyse ist durchgeführt worden, um die Analysemethode zu validieren. Zusätzlich werden die systematischen Unsicherheiten der Analyse untersucht.Der Mittelwert und die Streuung der Xmax-Verteilungen als Funktion der Energie wird mit theoretische Vorhersagen von aktuellen Wechselwirkungsmodellen verglichen. Eine Parametrisierung der Xmax-Verteilungen mit Hilfe von Gumbel-Statistik und Simulationen ermöglicht das Beschreiben dieser als Funktion der Energie und der atomaren Masse. Dies ermöglicht eine Analyse der chemischen Zusammensetzung der kosmischen Strahlung.Ein Superposition-Model dieser Parametrisierungen bestehend aus unterschiedlichen Elementgruppen wurde an einen Monte Carlo-Szenario zur Optimierung getestet und auf die gemessenen Xmax Daten angewendet. Dabei wurden alle systematischen Unsicherheiten berücksichtigt. Die Resultate dieser Doktorarbeit werden mit aktuellen Veröffentlichungen unterschiedlicher Experimente verglichen. Die Ergebnisse von allen Wechselwirkungsmodellen sehen tendenziell eine chemische Komposition von schweren Elementen um 10^17.0 eV. Mit steigender Energie wird die Komposition leichter bis diese bei 10^18.4 eV aus einem Mix leichter Elemente zu bestehen scheint.

The Pierre Auger Observatory is currently the largest detector for measurements of cosmic rays with energies beyond 10^18 eV. It uses a hybrid detection method with fluorescence telescopes and surface detector stations. Cosmic rays with energies above 10^15 eV cannot be studied directly but they interact with the atmosphere and produce secondary particle cascades, called extensive air shower. These air showers carry information about the energy, the arrival direction and the chemical composition of the primary cosmic ray particle. The fluorescence telescopes measure the longitudinal air shower profile, whereas the surface detector stations study the lateral profile on the ground. The combination of both detectors provides measurements of cosmic rays with high accuracy.This thesis is focused on the study of the chemical composition of cosmic rays with the virtual fluorescence telescope HECO, which is the combination of the low energy enhancement HEAT (High Elevation Auger Telescopes) and the Coihueco telescope station. HEAT consists of 3 additional fluorescence telescopes, extending the energy range down to below 10^17.0 eV. The cosmic rays with energies between 10^17 eV to 10^18.4 eV are studied, which is the expected transition region from galactic to extra galactic cosmic rays.For the analysis of the chemical composition the atmospheric depth of the air shower maximum Xmax is used. The distribution of Xmax is depending on the atomic mass of the primary cosmic ray particle.An improved profile reconstruction using air shower universality is introduced in the reconstruction and several cross checks on the acquired data and simulations are performed. A complete Monte Carlo based composition analysis is performed to validate the analysis method. The systematic uncertainties of the analysis are studied in detail. The resulting first moments, the mean and the variance of the measured Xmax-distribution per energy bin are compared to theoretical predictions from current cosmic ray interaction models. Additionally, a new fit method is introduced to fit chemical composition fractions based on prediction from interaction models. A parametrization based on Gumbel statistics and air shower simulation is used to describe the Xmax-distribution as a function of energy and primary atomic mass. A superposition model of these parametrization is fitted on a simulated scenario to find the optimal fit routine. The method is applied on the measured Xmax data including all know systematic uncertainties. The findings of this thesis are compared to published results of other experiments. The results of all interaction models suggest a heavy composition at 10^17.0 eV that becomes lighter up to 10^18.4 eV, where it is composed of a mixture of nuclei with light atomic masses.

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