Constraining cosmic magnetic fields by a measurement of energy energy correlations with the Pierre Auger Observatory

Schiffer, Peter; Erdmann, Martin

doi:3698

Constraining cosmic magnetic fields by a measurement of energy energy correlations with the Pierre Auger Observatory = Einschränkung kosmischer Magnetfelder durch eine Messung von Energie-Energie-Korrelationen am Pierre Auger Observatorium

Schiffer, Peter

2011

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Peter Schiffer

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2011

UmfangVII, 86 S. . Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Erdmann, Martin (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2011-05-25

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-36980
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/64701/files/3698.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
UHECR (Genormte SW) ; Extragalaktisches Magnetfeld (Genormte SW) ; Galaktisches Magnetfeld (Genormte SW) ; Autokorrelation (Genormte SW) ; Physik (frei) ; extragalactic magnetic field (frei) ; galactic magnetic field (frei) ; autocorrelation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530
pacs: 98.35.Eg

Kurzfassung
Der Ursprung der Ultrahochenergetischen kosmischen Strahlung (UHECR) ist eines der ältesten Rätsel der Astroteilchenphysik. Seine Lösung ist eng verbunden mit der Kenntnis kosmischer Magnetfelder in denen die UHECRs abgelenkt werden. Während galaktische Magnetfelder in gewissem Ausmaß bekannt sind, ist die Struktur und Stärke von extragalaktischen Magnetfeldern weitestgehend unbekannt. Diese begrenzte Kenntnis kosmischer Magnetfelder wird im allgemeinen als größtes Hindernis bei der Identifizierung von UHECR-Quellen angesehen. In dieser Arbeit wird ein anderer Ansatz verfolgt. Im Fokus steht nicht die Suche nach Quellen sondern die Rekonstruktion der Magnetfelder. Für die Kombination von diskreten UHECR-Quellen und kosmischen Magnetfeldern erwartet man eine Energieordnung in den Ankunftsrichtungen in der Nähe der höchstenergetischen Ereignisse. Für die Messung einer solchen Energieordnung und somit die Gewinnung von Informationen über die ablenkenden Magnetfelder benötigt man vier wesentliche Zutaten: Erstens die Messung von Energie und Ankunftsrichtung einer großen Anzahl von UHECRS. Der verwendete Datensatz, bestehend aus 18576 UHECR mit Energien oberhalb von 5 EeV, wurde zwischen 2004 und 2010 mit dem Oberflächendetektor des Pierre Auger Observatoriums gemessen. Das Observatorium und die Auswahl des Datensatzes sind in den Kapiteln 5 und 6 beschrieben. Zweitens ein Monte Carlo (MC) Modell mit dem die Daten verglichen werden können. Zu diesem Zweck wurde die PARSEC Software entwickelt, die Quellen und Propagation von UHECRs simuliert. UHECR-Propagation in galaktischen und extragalaktischen Magnetfeldern sowie Energieverlust in Hintergrundphotonenfeldern kann für beliebige Quellverteilungen mit PARSEC berechnet werden. In den Kapiteln 2 und 3 werden die Propagation von UHECRs sowie kosmische Magnetfelder diskutiert. Die Implementierung dieser Effekte in die PARSEC Software wird in Kapitel 4 besprochen. Drittens eine Observable die auf Energieordnungseffekte empfindlich ist. Zu diesem Zweck wird die Energie-Energie-Korrelation (EEC) eingeführt. Die EEC Verteilung in der Nähe der höchstenergetischen Ereignisse wurde in den Daten des Pierre Auger Observatorium, unter Berücksichtigung der statistischen und systematischen Unsicherheiten der UHECR Messung, bestimmt. Die Definition der EEC und die Messung ihrer Verteilung werden in Kapitel 7 diskutiert. Viertens einen statistischen Test zur Rekonstruktion der Parameter des MC Models. Zu diesem zweck wurde ein Log-Likelihood test auf die speziellen Bedingungen der EEC Verteilung angepasst. Der erlaubte Bereich des Parameterraums kann durch einen Abfahren der Parameter des MC Modells bestimmt werden. Die Details dieses Verfahrens zum Testen der gemessenen EEC Verteilung werden in Kapitel 8 diskutiert. Es ist beachtenswert, dass die vorgestellte Analyse modular und somit offen für weitere Verbesserungen ist. Insbesondere ist die gemessene EEC Verteilung unabhängig von ihrer Interpretation. Das bedeutet, dass der MC Generator verbessert werden kann, während die EEC Messung ihre Gültigkeit behält. Umgekehrt kann auch eine andere Observable das gleiche MC Modell einschränken. Die zwei maßgeblichen Wissenschaftlichen Ergebnisse dieser Arbeit sind zum einen die Messung der EEC Verteilung für UHECRs mit Energien oberhalb von 5 EeV und zum anderen die Interpretation dieser Messung in einem Modell mit isotroper Quellverteilung und Protonen als UHECRs. Innerhalb des Modells konnte eine untere Grenze auf das extragalaktische Magnetfeld von 10 nG, mit einer leichten Abhängigkeit von der Quelldichte, gesetzt werden. Diese Grenze ist im Widerspruch zu oberen Grenzen auf das extragalaktische Feld die aus Messungen der kosmischen Hintergrundstrahlung stammen. Hieraus kann geschlussfolgert werden, das entweder das galaktische Magnetfeld deutlich stärker als erwartet ist oder das UHECRs oberhalb von 5 EeV nicht überwiegend Protonen sind.

The origin of ultra high energetic cosmic rays (UHECRs) is a long standing mystery in astroparticle physics. Its unraveling is directly coupled to an understanding of the cosmic magnetic fields in which the UHECRs are deflected. While galactic magnetic fields can be measured to some extend, the strength and structure of extragalactic fields are almost completely unknown. This limited knowledge of cosmic magnetic fields is commonly seen as the largest obstacle to the identification of UHECR sources. In this thesis a different approach is pursued. It is not focused on the identification of sources but on the reconstruction of the magnetic fields. Discrete UHECR sources in combination with cosmic magnetic fields are expected to result in an energy ordering in the arrival directions close to the most energetic events. The measurement of such an energy ordering and thus the extraction of information about the magnetic fields requires four key ingredients. At first the measurement of energy and arrival direction of a large number of UHECRs. The used data set of 18576 UHECRs with energies above 5EeV was measured in the time between 2004 and 2010 with the surface detector of the Pierre Auger Observatory. The observatory and the selection of the data set are described in the chapters 5 and 6. At second a Monte Carlo (MC) model to which the data can be compared. For this purpose the PARSEC software for the simulation of UHECR sources and propagation was developed. It includes the effects of UHECR propagation in galactic and extragalactic magnetic fields and the energy loss in background photon fields for arbitrary source distribution. A discussion of the propagation of UHECRs and of cosmic magnetic fields is given in the chapters 2 and 3. The implementation of these effects to the PARSEC software is discussed in chapter 4. At third an observable that is sensitive to energy ordering effects. For this purpose the observable of Energy-Energy-Correlation (EEC) is introduced. The EEC distribution close to the most energetic UHECRs is measured using the data of the Pierre Auger Observatory, considering the statistical and systematical uncertainties of the UHECR measurement. The definition of the EEC and the measurement of its distribution is discussed in chapter 7. Finally a statistical test to reconstruct the parameters of the MC model. For this purpose a negative log-likelihood test was adapted to the special conditions of the EEC distribution. By performing a scan over the parameters of the MC model the allowed regions in the parameter space can be determined. The details of the likelihood test and the parameter space scan testing the measured EEC distribution are discussed in chapter 8. It should be noted that the described analysis is modular and thus open to further improvements. In particular is the measured EEC distribution independent of its interpretation. This means the MC generator can be improved while the EEC measurement is still valid. Inversely also a different observable could be used to constrain the same MC model. The two main scientific results of this thesis are the following. One is the measurement of the EEC distribution for the UHECRs with energies above 5EeV at the Pierre Auger Observatory. The other is the interpretation of this measurement using a model of isotropic source distribution and a proton composition of UHECRs. A lower limit on the turbulent extragalactic magnetic field strength of 10 nG with a slight dependence on the source density is set within the used MC model. This lower limit is in contradiction to upper limits on the extragalactic field resulting from measurements of the cosmic microwave background. Therefor it can be concluded that either the turbulent galactic field is much stronger than expected or the composition of UHECRs above 5EeV is not dominated by protons.

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