The low-energy extension of the Surface Detector Array of the Pierre Auger Observatory
Creators: name: Silli, Gaia
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2022
Subjects: Second knee
cosmic rays
energy spectrum
Pierre Auger Observatory
surface detector
Cherenkov detector

description: Der Nachweis des Energiespektrums der kosmischen Strahlung mit Oberflächendetektoren erstreckt sich über sechs Größenordnungen der Energie, von $10^{15}$~eV bis zu mehr als $10^{20}$~eV. Es folgt einem Potenzgesetz mit einem Spektralindex $\gamma \simeq 3$ und weist fünf Merkmale auf, die durch kleine Abweichungen im Spektralindex gekennzeichnet sind: das Knie, das zweite Knie oder Eisenknie, der Knöchel, der ``Instep'' und eine Unterdrückung bei den höchsten Energien. Insbesondere das zweite Knie wurde bei $\sim10^{17}$~eV von mehreren Observatorien als Versteilerung des Spektrums beobachtet. Seine Deutung könnte mit der maximalen Energie der Beschleunigungsorte in der Galaxie zusammenhängen, da bei diesen Energien eine allmähliche schwerere Zusammensetzung beobachtet wurde, die den sogenannten Peters-Zyklen entspricht. Die astrophysikalische Interpretation der gewonnenen Daten ist immer noch heikel, vor allem weil die Art der Quellen, die Ausbreitungseffekte und die Zusammensetzung der kosmischen Strahlung stark miteinander verwoben sind. Ein genaueres Verständnis des Ursprungs des zweiten Knies könnte möglich sein, wenn ein Observatorium in der Lage ist, alle spektralen Merkmale und die Massenzusammensetzung der kosmischen Strahlung mit einer gemeinsamen Energieskala zu messen. Das Pierre-Auger-Observatorium im Westen Argentiniens ist das weltweit größte Observatorium für kosmische Strahlung. Ursprünglich wurde es gebaut, um den kosmischen Strahlungsfluss oberhalb von $10^{18.5}$~eV zu untersuchen, doch mehrere Erweiterungen haben diese Energieschwelle gesenkt. Eine dieser Erweiterungen wird in dieser Arbeit vorgestellt. Um eine wirkliche Interpretation des zweiten Knies zu erreichen, hat das Pierre-Auger-Observatorium seinen Oberflächendetektor um eine dreieckige Anordnung von Wasser-Cherenkov-Detektoren mit einem Abstand von 433~m erweitert, um den Spektralbereich unterhalb von $10^{17}$~eV zu enthüllen. Unsere Kollaboration hat bereits erste Hinweise auf das zweite Knie aus den Daten des 750-Meter-Oberflächendetektors und aus Messungen des Cherenkov-Lichts mit dem Fluoreszenzdetektor gemeldet. Daher wird diese Erweiterung zum ersten Mal die Messung der drei Spektrumsmerkmale im höchsten Energiebereich nicht nur durch ein einziges Observatorium, sondern mit der gleichen Detektionstechnik ermöglichen. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Erweiterung des mit dem Oberflächendetektor des Pierre-Auger-Observatoriums gemessenen Energiespektrums bis hinunter zu Energien von $10^{16,5}$~eV. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde eine Reihe von Analyseschritten durchgeführt. Zur Charakterisierung der Fähigkeiten des Arrays, Luftschauer aufzuspüren und zu beproben, wurden Studien mit simulierten Schauern durchgeführt, um Trigger-Effizienz-Kurven zu erhalten. Diese Kurven sind ein wesentlicher Bestandteil der Definition der effektiven Exposition des Arrays und der entscheidende Schritt auf dem Weg zu einem endgültigen Energiespektrum. Der Einsatz des dichteren Arrays erforderte die Optimierung, Erweiterung und Verbesserung des Prozesses zur Ereignisrekonstruktion, der auf einer bereits im Rahmen von Offline existierenden Grundrekonstruktion basiert. Daher beinhaltet diese Arbeit eine umfassende Aktualisierung der Rekonstruktionsmethoden, die zur Abschätzung der Flugbahn und Energie eines kosmischen Strahls unter Verwendung des neuen Oberflächendetektor-Arrays. Die Aktualisierung wurde motiviert durch die Einbeziehung eines neuen Satzes von Detektoren und durch die Produktion eines völlig neuen Datensatzes. Die Standardrekonstruktion von Luftschauern basiert auf einer empirischen Beschreibung der der gesamten lateralen Verteilung von Sekundärteilchen am Boden. Für jedes Ereignis wird die die erwartete Schauergröße in einem bestimmten Abstand zum Schauerkern ein robuster Estimator für die Primärenergie. Der nominell optimale Abstand ist der Abstand zum Kern, bei dem die fehlende Kenntnis der seitlichen Verteilung der Schauer den geringsten Einfluss auf die Schätzung der Schauergröße hat, was bedeutet, dass bei diesem Referenzabstand die Verzerrung des rekonstruierten Signals minimal ist. Der seitliche Abfall des deponierten Signals mit zunehmendem Abstand zur Schauerachse in der Schauer-Ebene wird mit einer lateralen Verteilungsfunktion modelliert, deren Steigung als Funktion der Schauerbeobachtungsgrößen parametrisiert wird, insbesondere der Zenitwinkel und die Schätzung der Primärenergiemessung im optimalen Abstand. Sowohl die laterale Verteilungsfunktion, die zur Anpassung der beobachteten Signale als Funktion der Entfernung von der zentralen Achse eines Luftschauers verwendet wird, als auch der optimale Abstand hängen stark vom Abstand zwischen den Stationen ab. Daher haben wir für das 433 Meter dichte Array den Referenzabstand und den Parametersatz für ein optimiertes Anpassungsverfahren aktualisiert, wobei wir auch von dem neuen verfügbaren Datensatz profitierten. Die seitliche Verteilung ist besonders wichtig, da sie verwendet wird, um das erwartete Signal in einem festen Referenzabstand von der Achse zu finden, um die Primärenergie zu schätzen. Die stark von der Schauerneigung abhängige Energieschätzung Neigung abhängt, wird mit der Constant Intensity Cut-Methode korrigiert, um einen vom Zenitwinkel unabhängigen Energieschätzer zu erhalten. Wir haben festgestellt, dass das 433-Meter-Array, das im Mai 2019 fertiggestellt wurde, kosmische Strahlung mit voller Effizienz ab $3\times$10$^{16}$~{eV} beobachtet und damit die Energie, bei der das zweite Knie im Spektrum beobachtet wurde, in den Erfassungsbereich bringt. Infolge der erhöhten Empfindlichkeit für Schauer niedrigerer Energie war es möglich, den kosmischen Strahlungsfluss bis hinunter zu Energien zu messen, die eine halbe Größenordnung niedriger sind als dies zuvor mit dem Oberflächenarray möglich war. Wir haben ein Energiespektrum der kosmischen Strahlung mit Hilfe des 433 Meter langen Oberflächendetektor-Arrays des Pierre-Auger-Observatoriums erstellt. Das dargestellte Spektrum zeigt einen Knick um $\sim 10^{17}$~{eV}, wo der Spektralindex des ansonsten monotonen Potenzspektrums seinen Wert ändert, was das Vorhandensein des zweiten Kniespektrums bestätigt. Dieses Merkmal ist wichtig als Signatur für die Änderung des Ursprungs und/oder der Arten der ankommenden kosmischen Strahlung. Wir haben das resultierende Energiespektrum mit den Ergebnissen anderer Experimente verglichen. Die hier vorgelegte Studie legt den Grundstein für zukünftige Messungen im Energiebereich bis hinunter zu $10^{16}$~eV mit einem Oberflächendetektor und erweitert damit den wissenschaftlichen Output des Auger Observatoriums.