Antenna calibration and energy measurement of ultra high energy cosmic rays with the Auger Engineering Radio Array

Weidenhaupt, Klaus Frank; Erdmann, Martin

doi:1999910016866

Antenna calibration and energy measurement of ultra high energy cosmic rays with the Auger Engineering Radio Array = Antennenkalibration und Energiemessung von höchstenergetischer kosmischer Teilchenstrahlung mit dem Auger Engineering Radio Array

Weidenhaupt, Klaus Frank (Author)

2014

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Klaus Frank Weidenhaupt

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2014

UmfangIV, 190 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2014

Online-Ausg.: Weidenhaupt, Klaus Frank: Antenna calibration and energy measurement of ultra high energy cosmic rays with the Auger Engineering Radio Array

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Erdmann, Martin (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2014-11-17

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-52646
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/465387/files/5264.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Pierre-Auger-Observatorium (Genormte SW) ; Luftschauer (Genormte SW) ; UHECR (Genormte SW) ; Radioemission (Genormte SW) ; Physik (frei) ; cosmic rays (frei) ; radio detection (frei) ; antenna calibration (frei) ; Auger Engineering Radio Array (frei) ; Pierre Auger Observatory (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Mit dem Auger Eingineering Radio Array wird die Radiodetektion von höchstenergetischer kosmischer Teilchenstrahlung für die Anwendung in zukünftigen Großexperimenten erprobt. In diesem Rahmen liefern wir mit unserer Arbeit wichtige Beiträge zur Entwicklung von Radioantennen für den Nachweis kosmischer Strahlung, der Kalibration von Radiodetektoren und der Energiemessung der primären kosmischen Teilchen mit der Radiotechnik. Mit Hilfe von Antennenmessungen haben wir die elektrischen Eigenschaften und die Produktions- qualität aller Antennen, welche zur Zeit bei AERA installiert sind, evaluiert. Wir haben die sogenannte Butterfly Antenne durch Entwicklung einer Neukonstruktion und ausgedehnte Tests in einem Windkanal erfolgreich an die rauhen Umgebungsbedingungen bei AERA angepaßt. Die Rekonstruktion des, von kosmischen Teilchenschauern emittierten vektoriellen elektrischen Feldes erfordert die genaue Kenntnis der Antennencharakteristik. Im Rahmen dieser Arbeit haben wir neue Methoden entwickelt, die eine Kalibration der Antennencharakteristik von Mhz-Radioantennen direkt am Ort des Experiments erlauben. Wir haben diese Methoden erfolgreich angewandt um Kalibrations-messungen der beiden, bei AERA installierten Antennentypen durchzuführen. Wir haben die Effek-tivität der Kalibrationsstrategien diskutiert und die Meßergebnisse mit Antennensimulationen verglich-en. Des weiteren haben wir die Antennenmodelle entwickelt welche momentan für die Rekonstruktion von Radiodaten bei AERA verwendet werden. Messungen der Primärenergie kosmischer Teilchen mit der Radiotechnik setzen ein detailliertes Ver-ständnis der zugrundeliegenden Radioemissionsmechanismen voraus, da diese geometrische Abhängig-keiten der beobachteten totalen Radioemission verursachen, welche berücksichtigt werden müssen. Zunächst haben wir, anhand der Polarisation des elektrischen Feldes, die dominanten Emissions-mechanismen einer Selektion von, durch kosmische Teilchen induzierter Radioereignisse untersucht. Zur Beschreibung der Polarisation haben wir zwei Radioemissonsmodelle, basierend auf aktuellen Theorien der Radioemission definiert, ein rein geomagnetisches und ein kombiniertes Modell welches eine Überlagerung mit einer 'charge excess' Komponente miteinbezieht. Durch Vergleiche des gemessenen Polarisationsvektors mit der Vorhersage der Emissionsmodelle konnten wir die dominante Rolle der geomagnetischen Emission bestätigen. Desweiteren haben wir die Existenz einer subdomi-nanten charge excess Komponente bestätigt und ihren relativen Beitrag zur totalen Radioemission quantifiziert. Nach der Identifikation der dominanten Emissionsmechanismen konnten wir eine Radiosignal-amplitude definieren welche die Überlagerung der Emissionsmechanismen berücksichtigt. Wir haben die laterale Verteilung dieser korrigierten Radiosignalamplitude mit einem exponentiellen Abfall modelliert um einen vereinheitlichten Radioenergieestimator bei einem optimalen lateralen Abstand von der Luftschauerachse zu erhalten. Abschließend haben wir eine Kalibration unseres Radioenergieestimators mit der entsprechenden Energiemessung des Oberflächendetektors des Pierre Auger Observatoriums durchgeführt. Die gefundene Korrelation weist einen linearen Zusammenhang der Radiosignalamplitude mit der Energie der primären kosmischen Teilchen auf, in Übereinstimmung mit Theorien der Radioemission und Messungen anderer Radiodetektoren. Mit unserer Methode konnten wir eine relative Energieauflösung für die Radiomessung der Energie der kosmischen Teilchen von etwa 20% erzielen.

With the Auger Engineering Radio Array, radio technique for the detection of high-energy cosmic rays is being probed for applications in large scale future cosmic ray detectors. Within the scope of AERA we deliver with this thesis important contributions to the development of radio antennas for the detection of cosmic rays, the calibration of cosmic ray radio detectors and the energy measurement of the primary cosmic ray particle with the radio technique. By means of antenna measurements, we evaluated the electrical properties and monitored the production quality of all antennas currently deployed at AERA. We have successfully adapted the so called Butterfly antenna to the harsh environmental conditions at AERA by redesigning the mechanical structure and conducting extensive testing in a wind tunnel. Reconstruction of the vectorial electric field emitted by air showers requires knowledge of the directional and frequency dependent antenna response. Within this thesis we have developed novel methods to calibrate the response of MHz radio antennas directly at the site of the experiment. We have successfully applied these methods to perform calibration measurements of the two antenna types currently employed at AERA. We evaluated the performance of the developed calibration strategies and compared the measurement results with antenna simulations. Furthermore, we developed the antenna simulation models which are currently applied for the reconstruction of cosmic ray radio data at AERA. Measurements of the primary cosmic ray energy with the radio technique require the knowledge of the underlying radio emission mechanisms as they introduce geometrical dependencies on the observed total radio emission which have to be corrected for. In a first step we have identified the dominant emission mechanisms in a set of high-quality cosmic ray induced radio events by probing the polarization of the emitted electric field. For this purpose, we exploited theories of radio emission in the form of two emission models describing the polarization of cosmic ray radio data, the pure geomagnetic model and a combined model which includes the superposition of a charge excess component. By comparison of the measured polarization vector of the electric field and the prediction of the emission models we confirmed the dominant role of the geomagnetic emission. Moreover, we confirmed the existence of a sub-dominant charge excess emission component and quantified its relative contribution to the total radio emission. Having identified the dominant and sub-dominant emission mechanisms we were able to define a corrected radio signal amplitude which considers the interplay of the emission mechanisms. We modeled the lateral distribution of the corrected signal amplitude by an exponential falloff to obtain a unified radio energy estimator at an optimal lateral distance from the shower axis. We finally performed a calibration of our energy estimator with the corresponding energy measurement of the surface detector of the Pierre Auger Observatory. The obtained correlation indicates a linear dependency of the radio signal amplitude with the cosmic ray energy, which is compatible with theories of radio emission and radio energy measurements of other radio detectors. With our method, we achieved a relative energy resolution of about 20% for the radio measurement of the cosmic ray energy.

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