Determination of the chemical composition of cosmic rays in the energy region of 5 EeV with the AMIGA upgrade of the Pierre Auger Observatory
Creators: name: Botti, Ana Martina
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2019
Subjects: Pierre Auger
SiPMs
UMD
muon detector
cosmic rays

description: Die ultra hochenergetische kosmisch Strahlung besteht aus Teilchen, die mit Energien von über $10^{18}$ eV auf die Erde gelangen. Wenn diese auf Atomkerne in der Erdatmosphäre treffen, entstehen Sekundärteilchen. Diese propagieren als ausgedehnte Luftschauer bis zum Boden hin. Zu diesen extrem energiereichen kosmischen Strahlen gibt es noch eine Reihe von offenen Fragen: Was sind deren Quellen? Was sind die Beschleunigungsmechanismen, die ihnen den Ursprung geben, sowie ihre Zusammensetzung (der Anteil von Protonen und verschiedenen Kerntypen)? Welche Mechanismen sorgen für die Unterdrückung bei sehr hohen Energien. Um diese Fragen zu l”osen, werden am Pierre Auger Observatorium kosmische Strahlen mit den höchsten Energien untersucht. Dafür wird eine Hybriddetektionstechnik verwendet, die darauf abzielt, sowohl die Teilchenstatistik zu verbessern als auch systematische Unsicherheiten zu minimieren. Derzeit werden die Messkapzit”aten vom Pierre Auger Observatorium, im Rahmen des AugerPrime Upgrades, verbessert. Dafür werden neue Detektoren wie Radioantennen, Oberflächen-Szintillatordetektoren und Untergrund-Szintillatordetektoren eingesetzt. Das "Auger Muon and Infill for the Ground Array'' (AMIGA) zielt darauf ab, sowohl die Nachweisgrenze des Pierre Auger Observatoriums auf Energien von $\sim$ $10^{16.5}$ eV zu senken als auch den Myongehalt von ausgedehnten Luftschauern direkt zu messen. AMIGA besteht aus einer Reihe von gekoppelten Wasser-Cherenkov- und vergrabenen Szintillatordetektoren, die in zwei überlappenden Dreiecksgittern im Abstand von 433 m und 750 m eingesetzt werden. Jeder Untergrunddetektor hat eine Gesamtfläche von 30 $\mathrm{m}^2$ und ist 2,3 m unter der Erdoberfl”ache vergraben, um es vor der elektromagnetischen Komponenten der Schauer zu schützen. Die Szintillationsebene ist in Kunststoff-Szintillatorstreifen mit eingebetteten optischen Wellenlängenschieberfasern segmentiert, die mit einer Reihe von Silizium-Photomultiplier (SiPMs) gekoppelt sind. In dieser Arbeit stellen wir mehrere Studien über den AMIGA Untergrund-Myonendetektor (UMD) vor, der zwei Betriebsarten hat: den Zähler, der entwickelt wurde, um Myonen direkt zu messen, wenn sie auf den Detektor treffen, und optimiertist, um niedrige Myondichten zu messen, und den Integrator, der es ermöglicht, den Myongehalt von ausgedehnten Luftschauern zu schätzen, indem es die Gesamtladung durch die eines durchschnittlichen Myons teilt. Zunächst beschreiben wir die aktuelle Kalibrierung für die SiPMs und wie der Arbeitspunkt des Zählermodus eingestellt wird. Unter Verwendung von Labordaten und Messungen des Observatoriums haben wir Studien durchgeführt, um die Stabilität der SiPM-Verstärkung bei Temperaturschwankungen zu bestätigen. Wir haben deren Rauschquellen gründlich charakterisiert. Dazu haben wir auch eine Myon-Zählstrategie vorgeschlagen, die das SiPM-Rauschen minimiert, ohne signifikant an Myonsignalen zu verlieren. Wir haben auch Daten aus dem Labor und dem Observatorium verwendet, um die Hauptmerkmale des Integrator-Modus zu extrahieren und ein Unsicherheitsmodell für die Signalladung zu erhalten. Zudem haben wir zwei mögliche Kalibrierungsverfahren für diesen Modus vorgestellt: das erste basiert auf Luftschauerereignissen, die offline durchgeführt werden können, und das zweite auf Hintergrunddaten, die online durchgeführt werden können. Außerdem wurden als Teil dieser Arbeit die AMIGA UMD-Simulationen entwickelt und in die Auger Datenanalyse- und Simulationssoftware ( Offline) implementiert. Der Code wurde mit Labordaten entwickelt und mit identischen Komponenten, wie die im UMD-Enddesign gemessen wurden, validiert. Sowohl analoge SiPM-Impulse als auch digitale Spuren nach der Frontend-Platine wurden erfasst und mit Simulationsergebnissen verglichen; erstere mit spezifischer Elektronik und letztere mit den gleichen elektronischen Bausätzen, die in der UMD-Produktion verwendet werden. Die Hauptmerkmale der Zähler- und Integratorkanäle sind relevant f”ur die Detektorleistung und werden hier diskutiert. Deren Unterschiede und Übereinstimmungen zwischen Simulations- und Labordaten werden dargestellt. Schließlich haben wir die neulich implementierten SiPM-Simulationen im Offline-Framework verwendet, um die Quellen systematischer Fehler des Zähler-Modus zu untersuchen und Korrekturen vorzuschlagen, die etwaige Rekonstruktionsverzerrungen beseitigen. Wir haben die Simulationen auch verwendet, um die Kalibrierung des Integratormodus zu testen und die Auflösungen beider Modii zu vergleichen. Wir haben diese Ergebnisse verwendet, um die Empfindlichkeit der UMD gegenüber der kosmischen Strahlungsprimärmasse zu untersuchen. Im Rahmen dieser Dissertation wurden mehrere Beiträge zum AugerPrime Upgrade erarbeitet. Unter anderem wurden: (i) Studien zur Bestätigung der Stabilität von SiPMs, (ii) die Prüfung und Abstimmung des SiPM-Kalibrierverfahrens und die Überprüfung seiner Robustheit, (iii) die Charakterisierung von UMD-Signalen und Rauschquellen, (iv) die Bestimmung der Effizienz und Dämpfung von Szintillatorstreifen mit eingebetteter Glasfaser (v) die Erreichung einer Zählstrategie zur Schätzung der Anzahl der Myonen in Luftschauern mit dem Counter-Modus, (vi) die Kalibrierung des Integratormodus unter Verwendung von Online- und Offline-Daten, (vii) das Design, die Entwicklung, die Implementierung und das Testen von SiPM- und elektronischen Simulationen, (viii) das Design, die Entwicklung, die Implementierung und das Testen der UMD-Ereignisvisualisierung in einer grafischen Benutzeroberfläche, (ix) Analysen über die Auswirkungen des Bodens bei der UMD-Rekonstruktion, (x) das Erreichen einer Rekonstruktionsverzerrungskorrektur für den Counter-Modus mit SiPMs, (xi) Analysen zur Verbesserung der UMD-Fähigkeiten zur Durchführung von Studien über die Zusammensetzung der kosmischen Strahlung, durchgeführt. Die in dieser Arbeit beschriebenen Werkzeuge und Methoden sind von größter Bedeutung für zukünftige Analysen mit dem unterirdischen AugerPrime Myonendetektor.