Reconstruction of extensive air showers and measurement of the cosmic ray energy spectrum in the range of 1 - 80 PeV at the South Pole
Creators: name: Klepser, Stefan
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I
Year: 2008
Subjects: subject: Kosmische Strahlung
subject: IceCube
subject: IceTop
subject: Energiespektrum
subject: Energy Spectrum
subject: Cosmic Rays
subject: 530 Physik
subject: 29 Physik, Astronomie

description: IceTop ist ein Detektorfeld fuer kosmische Strahlung, das momentan am Suedpol errichtet wird. Es ist Teil des IceCube-Observatoriums und wird nach Fertigstellung eine Flaeche von 1km^2 ueberspannen. Es zielt auf den Nachweis von Teilchenkaskaden ab, die von kosmischer Strahlung mit Energien im PeV-Bereich induziert werden. Die Dissertation beinhaltet die erste Analyse hochenergetischer kosmischer Strahlung mit IceTop. Zunaechst wird hierfuer die Lichtausbeute der Detektortanks untersucht. Dies ermoeglicht die Erstellung einer Erwartungswertverteilung der Schauersignale, und eines entsprechenden Likelihood-Rekonstruktionsalgorithmus. Die damit erreichten Aufloesungen werden untersucht und Effizienzen berechnet. Anschliessend wird das Ansprechverhaltenn von IceTop im Bezug auf die Energie genauer evaluiert. Aus den Ergebnissen werden Faltungsmatrizen fuer unterschiedliche Primaerteilchensorten extrahiert. Darauf basierend werden zwei Entfaltungsalgorithmen vorgestellt, und vier Faltungsmatrizen fuer verschiedene Kompositionsannahmen berechnet. Im August 2007 genommene Daten werden in drei Zenithwinkel-Abschnitte eingeteilt und separat mit den Kompositionsmodellen entfaltet. Die resultierenden Spektren decken einen Energiebereich von 1-80PeV ab. Mit der Forderung isotropen Flusses lassen sich Wahrscheinlichkeiten definieren, die sensitiv sind auf die Konsistenz der Kompositionsannahmen. Diese neue Methode ermoeglicht eine Untersuchung der Komposition ohne Zuhilfenahme weiterer Detektorkomponenten. Die Analyse zeigt eine klare Praeferenz der Modelle gemischter Komposition. Schliesslich wird das Spektrum mit der hoechsten relativen Wahrscheinlichkeit untersucht. Die gemessenen Parameter stimmen innerhalb der systematischen Fehler gut mit denen anderer Experimente ueberein. Die ermittelte Position des sogenannten Knies des Spektrums ist 3,1+-0,3(stat.)+-0,3(sys.)PeV, die Exponenten davor und danach sind -2,71+-0,07(stat.) und -3,110+-0,014(stat.)+-0,08(sys.).
description: IceTop is a square-kilometer scale detector array for highly energetic cosmic radiation. It is a part of the IceCube Observatory that is presently being built at the geographic South Pole. It aims for the detection of huge particle cascades induced by PeV cosmic rays in the atmosphere. This thesis presents the first analysis of highly energetic cosmic ray data taken with IceTop. First, the light response of the IceTop tanks is parametrised as a function of energy and particle type. An expectation function for the distribution of shower signals in the detector plane is developed. Based on that, a likelihood reconstruction algorithm is developed and its resolution and performance is studied. The resulting energy response of the array is investigated to set up response matrices for different primary nuclei and inclinations. Two unfolding algorithms are implemented, and response matrices are modeled for four different composition assumptions. With each assumption, energy spectra are unfolded for three different bins in inclination, using a data sample taken in August 2007. The range of the spectrum is 1-80PeV. Finally, a new analysis method is developed that uses the fact that cosmic rays in the PeV range are expected to be isotropic. It is shown that this requirement can be used for a likelihood estimation that is sensitive to composition without using additional information from other detector components. The analysis shows a clear preference of the mixed composition models over pure proton or iron assumption. The spectrum with the highest likelihood shows good agreement with results from other experiments within the systematic uncertainties. The found position of the so-called knee feature is 3.1+-0.3(stat.)+-0.3(sys.)PeV, the power indices before and after that are -2.71+-0.07(stat.) and -3.110+-0.014(stat.)+-0.08 (sys.).