Radio Hybrid Reconstruction and Analysis of Inclined Air Showers with AERA of the Pierre Auger Observatory - Measuring the Hadronic Shower Development and Cosmic Ray Mass Composition

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Das Pierre-Auger-Observatorium ist derzeit der weltweit größte Detektor für kosmische Strahlung bei höchsten Energien. Mit dem Auger Engineering Radio Array (AERA) wird die von ausgedehnten Luftschauern emittierte Radioemission detektiert, wodurch Eigenschaften der Primärteilchen rekonstruiert werden können. Zwei neue Eigenschaften der Radioemission von geneigten Luftschauern werden mit Monte Carlo (MC) Simulationen analysiert. Dabei wird eine Verschiebung des Schwerpunkts der Radioemission um bis zu 1,5 km relativ zum MC-Auftreffpunkt festgestellt, welche auf die Brechung der Radiowellen in der Atmosphäre zurückzuführen ist. Die Form der Radiowellenfront wird am besten durch ein sphärisches Modell beschrieben, da die Quelle der Radioemission bis zu 150 km vom Detektor am Boden entfernt ist. Das sphärische Modell verbessert die Richtungsrekonstruktion und reduziert den Median des Öffnungswinkels mit der MCAchse für AERA-Simulationen von 0,54° mit dem zuvor verwendeten planaren Modell auf 0,27°. Die verbesserte Richtungsrekonstruktion wird durch eine Teilmenge der gemessenen AERA-Daten bestätigt, der Median des Öffnungswinkels mit der Rekonstruktion des Oberflächendetektors (SD) verbessert sich von 0,84° auf 0,61°.
Mit dem vollständigen Datensatz von 6 Jahren wurden mehr als 2000 geneigte Luftschauer mit Zenitwinkeln zwischen 60° und 80° rekonstruiert. Der Fußabdruck der Radioemission nimmt mit dem Zenithwinkel zu, am Boden kann die Radioemission auf mehr als 100 km2 nachgewiesen werden. Daher kann die Radioemission mit einem Radioarray mit einem Detektorabstand von 1,5 km, identisch mit dem Abstand der SD-Stationen zueinander, nachgewiesen werden. Dies wird durch die Auswahl von AERA-Antennen auf einem 1,5 km-Raster bei der Rekonstruktion demonstriert. 157 Ereignisse wurden mit dem ausgedünnten AERA rekonstruiert und die Rekonstruktion bestätigt die Leistungsfähigkeit der verwendeten Methoden.
Eine hybride Analyse der Messungen mit AERA und SD ermöglicht die Bestimmung des Myonendefizits in Simulationen und der Masse des Primärteilchens. Die Radioemission ist sensitiv für die Energie der elektromagnetischen Komponente des Luftschauers und daher unabhängig vom SD-Schätzer der Myonenzahl, Rμ. Ein Vergleich von 31 qualitativ hochwertigen Ereignissen mit der MC-Vorhersage zeigt ein Defizit an Myonen in den Simulationen. Für eine realistische chemische Zusammensetzung der kosmischen Strahlung, die mit der durchschnittlichen logarithmischen Atommassenzahl übereinstimmt, wie sie mit dem Fluoreszenzdetektor gemessen wurde, muss Rμ in MC um 25% erhöht werden. Die Masse des Primärteilchens kann durch Kombination der korrigierten Strahlungsenergie, Srad, und Rμ bestimmt werden. Vier ausgewählte Ereignisse mit einer Primärenergie über 10 EeV werden mehrfach mit CoREAS simuliert, wobei Protonen und Eisenkerne als Primärteilchen verwendet werden. Die Verteilung von Rμ / √Srad unterscheidet sich für beide Primärteilchen und der gemessene Luftschauer wird jeweils zwischen den Vorhersagen für Protonen und Eisen rekonstruiert.
Diese Ergebnisse ebnen den Weg für den AugerPrime-Radiodetektor, bei dem jede SD-Station mit einer zusätzlichen Radioantenne ausgestattet wird. Dadurch wird die instrumentierte Fläche von 17 km2 auf 3000 km2 vergrößert, was eine genaue Bestimmung des Myonendefizits und der Massenzusammensetzung der kosmischen Strahlung bei den höchsten Energien mit großer Statistik ermöglichen wird.

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Dokumententyp:
Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Fakultäten und Einrichtungen:
Fakultät für Mathematik und Naturwissenschaften » Physik » Dissertationen
Dewey Dezimal-Klassifikation:
500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik » 530 Physik
Sprache:
Englisch
Kollektion / Status:
Dissertationen / Dokument veröffentlicht
Dateien geändert am:
25.08.2021
Datum der Promotion:
31.05.2021
Medientyp:
Text