Search for ultra-high energy photons with the AMIGA muon detector
Creators: name: González, Nicolás Martín
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2018
Subjects: Pierre Auger Observatory
AMIGA
ultra-high energy photons
muon detector

description: Kosmische Strahlung (E &gt; 10 14 eV) ist seit mehr als 70 Jahren bekannt, jedoch bleiben ihren Ur-
sprung unerklärt. Ebenso ist das Vorhandensein einer hochenergetischen Photonenkomponente
der kosmischen Strahlung weiterhin eine offene Frage der Astroteilchenphysik. Die Ergänzung
von Messungen kosmischer Strahlung und Neutrinos durch hochenergetische Photonen verfeinert
unsere Multi-Messenger-Suche von energetischsten astrophysikalischen Phänomenen. Insbeson-
dere die Entdeckung von Photonen mit Energien zwischen 10 16.5 eV und 10 18 eV im Fluss der
kosmischen Strahlung könnte nicht nur für die Astroteilchenphysik relevant sein, sondern auch
für die Astrophysik und die Grundlagenphysik, da sie Indikatoren der energiereichsten Prozesse
im Universum sind.
Bei der Suche nach ultrahochenergetischen Photonen ist es entscheidend, kompositionssen-
sitive Parameter zu definieren, die in der Lage sind, den Untergrund der hadronischen kosmis-
chen Strahlung adäquat zu eliminieren. Der Myonengehalt der Sekundarteilchen ausgedehnter
Luftschauer gehört zu den vielversprechendsten Aspekten bei der Unterscheidung zwischen Pho-
tonen und hadronischer kosmische Strahlung. AMIGA, ein sich in 2.5 m Bodentiefe befindlicher
Myondetektor, ist Teil des AugerPrime-Upgrades für das Pierre-Auger-Observatorium. Es bietet
eine einzigartige Lösung, wobei hochenergetische Myonen von ausgedehnten Luftschauern direkt
gemessen werden. Damit wird die Sensivilität des Observatoriums zum Nachweis von Photonen
als Primärteilchen drastisch verbessert.
Es gab bereits mehrere Ansätze der Pierre-Auger-Kollaboration, um eine mögliche ultrahoch-
energetische Photonenkomponente in der kosmischen Strahlung zu untersuchen. Die Nicht-
beobachtung von Photonenkandidaten führte jedoch zu Obergrenzen für Energien über 10 18 eV.
Andererseits wurde das Energiefenster zwischen 10 16.5 eV und 10 18 eV nur von der KASCADE-
Grande und den EAS-MSU-Experimenten untersucht, strikte Obergrenzen des Photonenflusses
bestimmten. Derzeit wird dieser Energiebereich im Rahmen des Pierre-Auger-Observatoriums
nicht erforscht.
Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Erweiterung der ultrahochenergetischen Photonensuche
bis zu Energien von ∼ 10 16.5 eV. Die strengen theoretischen und experimentellen Obergrenzen
des Photonenflusses bei diesen Energien macht die Suche nach einem schwachen Photonensignal
bei hohem hadronischen Strahlungsuntergrund zu einer herausfordernden Aufgabe. Daher sind
Parameter, die auf das überwiegend elektromagnetische Signal empfindlich sind, wie im Falle
von Photonen, von äußerster Wichtigkeit. In diesem Rahmen werden zwei neue photonsen-
sitive Parameter definiert und beschrieben, die für die Suche nach der Photonen-/Hadronen-
Diskriminierung entwickelt wurden, um entweder Photonen im Energiebereich 10 16 eV zu detek-
tieren oder die Obergrenzen zu verbessern, die durch bisherige Experimente ermittelt wurden.
So wie mit dem S b Parameter, welcher zuvor bei der Photonensuche der Pierre-Auger-Kollabora-
tion verwendet wurde, wird bei M b die Myondichte der AMIGA-Stationen und deren Abstand zur
Schauerachse kombiniert. Die Observable Q nutzt den Unterschied in der Steilheit der lateralen
Verteilung der Teilchen zwischen photon- und hadroninduzierten Luftschauern. Im letzteren Fall
wird erwartet, dass sich die Luftschauer in der Atmosphäre höher entwickeln und deshalb mit
einer flacheren Teilchenverteilung auf den Boden gelangen.
In dieser Arbeit werden die Observablen der Oberflächen- und AMIGA-Detektoren so op-
timiert, dass sie im Energiebereich über E rec = 10 16.4 eV und θ &lt; 45° verwendet werden kön-
nen. Eine multiparametrische Methode, M b + Q genannt, wird ausführlich untersucht und
ihre Leistungfähigkeit wird unter zahlreichen Bedingungen untersucht. Die Untergrundunter-
drückung und der Photonnachweis für das multivariate Verfahren sind geeignet zur Bestimmung
der striktesten Obergrenzen aller Experimente in diesem Energiebereich innerhalb nur weniger
Jahre Messzeit. Bis zum Ende der geplannt Laufzeit des Observatoriums wird eine um eine
Größenornung verbesserte Obergrenze erwartet. In Anbetracht der hohen Exposition des Auger-
Experiments in Richtung des galaktischen Zentrums, stellt die in dieser Arbeit beschriebene Meth-
ode ein wertvolles Werkzeug dar eine winziges Photonensignal im galaktischen Strahlungsfluss zu
finden. Obwohl im wesentlichen nur eine Blindstudie zur Empfindlichkeit eines Photonenflusses
in dieser Studie vorgestellt wird, ist die Anwendung auf Daten in naher Zukunft im Rahmen einer
Auger-Publikation in Arbeit. Erst dann dürfen die bisher unbenutzen Daten untersucht werden.