Absolute energy calibration of the Pierre Auger observatory using radio emission of extensive air showers

Glaser, Jens Christian; Erdmann, Martin; Wiebusch, Christopher

doi:HT019271870

Absolute energy calibration of the Pierre Auger observatory using radio emission of extensive air showers = Absolute Energiekalibration des Pierre Auger Observatoriums durch die Messung von Radiosignalen ausgedehnter Luftschauer

Glaser, Jens Christian

2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jens Christian Glaser, M.Sc.

ImpressumAachen 2017

Umfang1 Online-Ressource (v, 189 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Erdmann, Martin (Thesis advisor)^RWTH* ; Wiebusch, Christopher (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-03-10

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-02960
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/686745/files/686745.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/686745/files/686745.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Projekte

GRK 1675 - GRK 1675: Teilchen- und Astroteilchenphysik im Lichte von LHC (164315326) (164315326)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
cosmic ray (frei) ; air shower (frei) ; radio (frei) ; antenna (frei) ; energy calibration (frei) ; Pierre Auger Observatory (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Ultra hochenergetische Cosmic-Rays (UHECRs) können über kurze Radiopulse im MHz Bereich gemessen werden, die von ausgedehnten Luftschauern abgestrahlt werden. Diese Methode ist komplementär zu bisherigen Techniken zur Messung von UHECRs z.B. über die Messung der Schauerteilchen am Boden oder die Beobachtung von Fluoreszenzlicht mit Teleskopen. Die Radiomessung ist sensitiv auf die wichtigsten Luftschauerparameter wie die Energie, die Masse und die Ankunftsrichtung des Cosmic-Rays.In dieser Arbeit wurde eine neue Methode zur Messung der Cosmic-Ray Energie entwickelt, die zeigt, dass die Messung von UHECRs über Radiopulse besonders gut und besser als bisherige Methoden für eine genaue Messung der Energie geeignet ist. Dies liegt primär daran, dass die Radioemission der Luftschauer direkt mit Hilfe der klassischen Elektrodynamik berechnet werden kann und dass Radiowellen deutlich weniger stark von veränderten Umweltbedingungen beeinflusst werden als z.B. das Fluoreszenzlicht. Da eine genaue Bestimmung der Energieskala entscheidend für die Interpretation von Cosmic-Ray Messungen ist, wird die Radiomethode ermöglichen, dieses Forschungsfeld maßgeblich voranzubringen.Dazu wurde im ersten Teil der Arbeit die Energie, die in Luftschauern in Form von MHz-Strahlung freigesetzt wird, mit Hilfe von Luftschauersimulationen berechnet, die wir im Folgenden als Strahlungsenergie bezeichnen. Während sich die Signalverteilung auf dem Boden stark mit unterschiedlicher Geometrie des Schauers ändert, bleibt die Strahlungsenergie konstant sobald sich der Luftschauer voll entwickelt hat. Insbesondere ist die Strahlungsenergie unabhängig von der Beobachtungshöhe und lässt sich dadurch zum direkten Vergleich verschiedener Experimente nutzen. Nach einer Korrektur der berechneten Strahlungsenergie auf die Abhängigkeit vom Erdmagnetfeld sowie der Dichte der Atmosphäre in der Emissionsregion, korreliert die korrigierte Strahlungsenergie mit der elektromagnetischen Schauerenergie und zeigt eine Streuung von weniger als 3%. Im zweiten Teil der Arbeit wird die Strahlungsenergie der Luftschauer am Auger Engineering Radio Array (AERA) gemessen, einem Array von mehr als 150 autonom arbeitenden Radiostationen verteilt auf einer Fläche von 17 km². AERA ist der Radiodetektor des Pierre Auger Observatoriums welches das weltweit größte Observatorium für kosmische Strahlung ist und eine Fläche von mehr als 3000 km² im Westen von Argentinien mit einem Array von über 1600 Teilchendetektoren und 27 Fluoreszenzteleskopen instrumentiert. Durch einen Vergleich mit der Messung der Cosmic-Ray Energie durch die Teilchendetektoren, die wiederum über die kalorimetrische Energiemessung der Fluoreszenzteleskope kalibriert wurden, wurde eine Strahlungsenergie von 15.8 MeV im Frequenzbereich von 30 – 80 MHz für einen Luftschauer mit einer Energie von 1 EeV gemessen, der eine Ankunftsrichtung parallel zum Erdmagnetfeld hat. Die Energieauflösung des Radiodetektors beträgt 14% für Luftschauer, die in mindestens fünf Radiostationen gemessen wurden, und ist damit konkurrenzfähig in der Präzision der Energiemessung zu der Messung über Teilchendetektoren. Im finalen Teil der Arbeit wird die theoretische Berechnung mit der Messung der Strahlungsenergie verglichen, die auf der Energieskala der Fluoreszenzteleskope basiert. Die Berechnungen aus klassischer Elektrodynamik liefern 19% größere Cosmic-Ray Energien. Die systematische Unsicherheit der Radioenergieskala ist dabei 15% und damit bereits jetzt konkurrenzfähig zu der Energieskala der Fluoreszenzteleskope mit ihrer systematischen Unsicherheit von 14%.Durch eine Verbesserung der Detektorkalibration ist in Zukunft eine deutliche Verbesserung in der systematischen Unsicherheit der Radioenergieskala zu erwarten. Durch die Verwendung einer bereits neu durchgeführten Kalibration, kann die systematische Unsicherheit der Energieskala auf 10% reduziert werden. Mit weiteren Verbesserungen ist eine Reduzierung der Unsicherheit auf 7% möglich. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Radiotechnologie zusammen mit den Methoden, die in dieser Arbeit entwickelt wurden, die Bestimmung der Energieskala mit nie dagewesener Genauigkeit erlaubt und dadurch die Interpretation der Daten des Pierre Auger Observatoriums deutlich verbessern wird.

Ultra-high-energy cosmic rays can be measured by short radio pulses in the MHz regime emitted by extensive air showers. This radio technique is complementary to existing techniques such as surface detector arrays or fluorescence telescopes. It has a duty cycle of almost 100% and is sensitive to all main air-shower observables such as the cosmic-ray energy, mass, and arrival direction. In this thesis, we developed a new method to determine the cosmic-ray energy. We showed that the radio technique is especially useful to determine the cosmic-ray energy with high accuracy and is superior to existing techniques in term of achievable accuracy. This is because the radio emission from air showers can be calculated from first principles, and radio waves are less influenced by environmental conditions compared to, e.g., fluorescence light. As an accurate energy scale is crucial for the interpretation of cosmic-ray measurements, the radio technique will thus be able to significantly advance this field of research. We first studied the energy released in air showers in the form of MHz radiation in detail, using CoREAS air-shower simulations. Depending on the distance between the observer and the region in the atmosphere where the radiation is released, the shape of the signal distribution on the ground changes significantly. For small distances to the emission region, the signal distribution is narrow around the shower axis with large energies per unit area, whereas for large distances to the emission region the radiation energy is distributed over a larger area resulting in a broad signal distribution with a small amount of energy per unit area. As soon as the air shower has emitted all its radiation energy, the total radiation energy, i.e., the integral over the signal distribution on the ground, remains constant. In particular, it does not depend on the spacial signal distribution on the ground or on the observation altitude and is thus directly comparable between different experiments.The simulated radiation energy – corrected for the dependence on the geomagnetic field – correlates best with the energy contained in the electromagnetic part of the air shower and exhibits quadratic scaling with the electromagnetic shower energy, as is expected for coherent emission. The electromagnetic shower energy can be converted to the primary cosmic-ray energy using predictions from hadronic interaction models or a direct measurement of the invisible energy fraction alternatively.The simulated radiation energy has a second-order dependency on the air density of the emission region. After correcting this effect, the corrected radiation energy and the electromagnetic shower energy have a scatter of less than 3%. In addition, we presented a more practical parametrization of the dependence between radiation energy and electromagnetic shower energy using only the geometry of the air shower, i.e., without using Xmax information, and obtained a resolution of 4%. This scatter of 4% is well below current experimental uncertainties, so that the radiation energy is well suited to estimate the cosmic-ray energy.If the radiation energy is detected at a particular observation height, the air shower may not have released all its radiation energy. The strength of this clipping effect depends on the atmospheric depth between observation height and shower maximum. We presented a parametrization of this effect that can be used in experiments to correctly determine the full radiation energy and thereby estimate the cosmic-ray energy. The radiation energy is influenced less by clipping than the electromagnetic part of the air shower as the radiation energy is released earlier in the shower development.Then, we used data from the Auger Engineering Radio Array (AERA) which is the radio detector of the Pierre Auger Observatory. AERA is located within the low-energy extension of the Observatory where additional surface detector stations with a smaller spacing are present, which enables access to cosmic-ray energies down to 0.1 EeV. To most accurately determine the cosmic-ray energy, we only use the thoroughly calibrated 24 LPDA radio stations of the first stage of AERA deployment, with data collected between April 2011 and March 2013. At several observer positions, the energy deposit per area of the radio pulse of an extensive air shower is measured. Using recent progress in understanding the lateral signal distribution of the radio signals, this distribution is described by an empirical function. The spatial integral of the lateral distribution function gives the amount of energy that is transferred from the primary cosmic ray into radio emission in the 30 to 80 MHz frequency band of AERA during the air-shower development. We measured on average 15.8 MeV of radiation energy for a 1 EeV air shower arriving perpendicularly to a geomagnetic field of 0.24 G. The systematic uncertainty is 28% on the radiation energy and 16% on the cosmic-ray energy.Using the results from the simulation study, the radiation energy is corrected for different emission strengths at different angles between shower axis and geomagnetic field, for changing emission strengths due to different air densities in the emission region as well as for missing radiation energy of air showers that are not fully developed before reaching the ground. This corrected radiation energy is compared with the calorimetric air-shower energy obtained from the the surface-detector reconstruction. Investigating the scatter around the calibration curve and subtracting the resolution of the surface detector we found that the energy resolution of the radio detector is 20% for the full data set, and 14% for the events with more than four stations with signal, where the core position could be determined in the radio LDF fit. Given the small shower-to-shower fluctuations of the electromagnetic component, we expect that with a deeper understanding of the detector and environmental effects, an even improved precision of the energy measurement can be achieved.The first-principles calculations are compared to the measurement of the radiation energy with respect to the energy scale of the fluorescence detector (FD). We found that the first-principles calculations predict 19% larger cosmic-ray energies than given by the FD energy scale at energies around 1 EeV. The systematic uncertainty of the radio energy scale is 15% and is dominated by the detector calibration that contributes with 14%. Hence, the radio technique is well competitive to the fluorescence technique with its systematic uncertainty of 14% at energies above 1 EeV and 16% at energies of around 0.3 EeV. In particular, the difference in the energy scales is well compatible within the systematic uncertainties. In the future, a significant improvement in the systematic uncertainty of the radio energy scale is expected. Using the results of a recently performed calibration campaign of the antenna response, the total systematic uncertainty can be reduced to 10%. With further improvements in the antenna calibration and more detailed first-principles calculations, a reduction of the uncertainty to 7% or below seems realistic. Hence, the radio technique together with the methods developed in this thesis can deliver unprecedented accuracy of the cosmic-ray energy scale. This will allow for a significant improvement in the interpretation of the results of the Pierre Auger Observatory.

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