Measurement of the Cosmic Ray Composition with Air Showers Detected by the AMIGA Extension at the Pierre Auger Observatory
Creators: name: Müller, Sarah Nicola
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2019
Subjects: astroparticle physics
cosmic rays
Pierre Auger Observatory
AMIGA
muon detectors
muons
mass composition

description: Die Fragen nach dem Ursprung, der Beschleunigung und der Propagation kosmischer Strahlung bei extrem hohen Energien sind noch immer nicht beantwortet. Um verschiedene astrophysikalische Szenarien zu unterscheiden, ist eine präzise Messung der Massenzusammensetzung der kosmischen Strahlung in der Übergangsregion zwischen galaktischer und extragalaktischer kosmischer Strahlung bis zu den höchsten Energien von größter Bedeutung.

Die Anzahl von Myonen in ausgedehnten Luftschauern ist eine wichtige Observable um verschiedene Massengruppen der kosmischen Strahlung zu unterscheiden. Aus diesem Grund wird das Pierre-Auger-Observatorium derzeit mit neuen Detektoren erweitert, die es erlauben werden, die myonische Schauerkomponente auf einer Ereignis-zu-Ereignis-Basis zu messen. Als Teil dieses Upgrades wird die AMIGA-Erweiterung, bestehend aus vergrabenen segmentierten Szintillationszählern, direkte Myondichtemessungen ermöglichen. Außerdem wird sie dazu dienen, die indirekten Myonmessungen der Upgradedetektoren zu validieren.

Um die Spezifikationen der mittlerweile installierten Upgradedetektoren zu definieren, untersuchen wir den Einfluss des Myonenergiedetektionsschwellwerts auf die Unterscheidbarkeit der Massen von Primärteilchen der kosmischen Strahlung mit detektorunabhängigen Simulationen. Wir stellen fest, dass die Massenunterscheidbarkeit für Detektionsschwellwerte von einigen GeV wächst, obwohl die Anzahl der detektierten Myonen abnimmt. Eine gute Kompositionssensitivität wird jedoch nur für große Detektionsflächen erreicht oder wenn die Tiefe des Schauermaximums zusätzlich aus den Messungen abgeleitet werden kann. Diese Ergebnisse berücksichtigend hat Auger entschieden, Szintillatoren mit einer Fläche von 3.8 m² auf den bereits existierenden Wasser-Cherenkov-Detektoren anzubringen.

Um eine auf den Messungen der AMIGA Myonzählern basierende unverzerrte Schätzung der Myondichte zu gewährleisten, optimieren und erweitern wir die bestehende Rekonstruktionsmethode. In diesem Zusammenhang entwickeln wir ein geometrisches Korrekturverfahren für Myonen, die aufgrund ihres schrägen Einfalls ein Signal in mehreren Detektorstreifen hinterlassen. Außerdem schlagen wir eine neue unverzerrte Parametrisierung der lateralen Dichtefunktion der Myonen vor und stellen sicher, dass der optimale Abstand für ihre Auswertung unverändert bleibt.

Das Prototyparray für AMIGA, bestehend aus einem Hexagon aus sieben Myondetektoren, ist seit Februar 2015 in Betrieb. Wir wählen die kalibrierten Daten eines Jahres aus und entwickeln eine Methode um Perioden auszuschließen, während derer bestimmte AMIGA-Module nicht funktionsfähig waren, um eine hohe Qualität der Daten zu gewährleisten. Zudem schließen wir fehlerhafte Module aus und korrigieren für die flächenabhängigen Effizienzen der Detektormodule. Weiterhin definieren wir einen zenithwinkelunabhängigen Schätzer ρ₃₅ der Myondichte, indem wir die Abschwächung des Myonsignals durch die Atmosphäre und die Erdschicht oberhalb der vergrabenen Myondetektoren parametrisieren.

Die grössten systematischen Unsicherheiten für AMIGA entstehen durch die modulflächenspezifische Effizienzkorrektur, das Setzen des Diskriminatorschwellwerts der einzelnen Szintillatorkanäle, die Dichte des Bodens, die Parametrisierung der lateralen Dichtefunktion der Myonen und die Abschwächungskorrektur.  Wir schätzen die einzelnen Beiträge ab und erhalten eine systematische Gesamtunsicherheit von ungefähr 14% von ρ₃₅.

Mehrere Experimente haben einen “Myonüberschuss” in ihren Daten beobachtet. Unsere Analyse von AMIGA-Daten bestätigt diesen Unterschied im Myonanteil zwischen Simulationen und Daten bei etwas anderen Energien. Indem wir Xmax-Messungen von Auger als Schätzer der mittleren logarithmischen Masse in Daten verwenden finden wir, dass der Myonanteil in Simulationen um 38% bis 53%, abhängig vom hadronischen Wechselwirkungsmodell, erhöht werden müsste um mit den AMIGA-Ergebnissen übereinzustimmen.

Basierend auf den Myondichtemessungen des AMIGA Prototyparrays analysieren wir die Entwicklung der Massenkomposition indem wir die korrigierten Myondichten ρ₃₅ mit einer Potenzgesetzparametrisierung als Funktion der Energie fitten. Zusätzlich berechnen wir die energieabhägige mittlere logarithmische Masse. In Übereinstimmung mit vorherigen Xmax-Messungen des Pierre-Auger-Observatoriums weisen die Ergebnisse auf ein Leichterwerden der Massenkomposition im Energiebereich von 10¹⁷⋅⁴ eV bis ¹⁸⋅³ eV hin.

AMIGA wird Ende 2019 vervollständigt sein und bis 2025 Daten nehmen. Obwohl das endgültige Detektordesign im Vergleich zum Prototyparray leicht verändert sein wird, da die Photomultiplier durch Silicon-Photomultiplier ersetzt werden, sind die meisten der in dieser Arbeit entwickelten Verbesserungen der Rekonstruktion anwendbar. Die vorgestellte erste systematische Analyse von Daten des AMIGA Prototyparrays zeigt, dass AMIGA auf dem Weg ist Kompositionsmessungen durchzuführen, die dabei helfen werden astrophysikalische Modelle des Ursprungs und der Propagation ultra-hochenergetischer kosmischer Strahlung einzuschränken.