Search for ultra-high energy photons with the AMIGA muon detector

Kosmische Strahlung (E > 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
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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 < 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.

Cosmic rays (E > 10 14 eV) have been known for more than 70 years, and yet their origin
remains elusive. Similarly, the possibility of a very-high energy photon component of the cosmic
radiation is one of the open problems in Astroparticle Physics. The search for high energy
photons complements measurements of cosmic rays and neutrinos towards a multi-messenger
understanding of the most energetic astrophysical phenomena. In particular, the discovery of
photons with energies between 10 16.5 eV and 10 18 eV in the cosmic rays flux could be of particular
interest not only for the field of Astroparticle Physics, but also for Astrophysics and fundamental
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Physics, since they are tracers of the highest-energy processes in the Universe.
In the search for ultra-high energy photons, it is crucial to define composition-sensitive param-
eters capable of adequately rejecting the hadronic cosmic-ray background. The muon content of
the extensive air showers produced by primary cosmic rays as they enter the atmosphere is one of
the most promising aspects that could lead to the best possible discrimination between photons
and hadronic cosmic rays. The AMIGA underground muon detector, as a part of the upcoming
AugerPrime upgrade for the Pierre Auger Observatory, offers a unique and straight-forward op-
portunity to directly measure high-energy muons of extensive air showers, and thus, enhance the
sensibility of the Observatory to a primary photon signal.
The Pierre Auger Collaboration has proposed several parameters in order to study a possi-
ble ultra-high energy photon component in the hadronic cosmic-ray flux. However, the non-
observation of photon candidates resulted in upper limits for energies above 10 18 eV. On the other
hand, the energy window between 10 16.5 eV and 10 18 eV has only been explored by the KASCADE-
Grande and the EAS-MSU experiments which impose upper limits to the photon flux. Currently,
this energy domain is not explored by the Pierre Auger Observatory.
The main objective of this thesis is the extension of the ultra-high energy photon search down
to ∼ 10 16.5 eV. The stringent theoretical and experimental upper limits to the photon flux at these
energies make the search of a weak photon signal in the vast hadronic cosmic-ray background
a challenging task. Therefore, parameters sensitive to the predominantly electromagnetic signal
from photon primaries are of paramount importance. In this framework, we define and describe
two new composition-sensitive observables designed for the photon/hadron discrimination quest
in order to either detect photon primaries in the 10 16 eV energy domain or improve the upper
limits established by previous experiments.
The observable M b combines the muon densities measured by the AMIGA underground
muon stations and their distance to the shower axis, similarly to the well-known S b parameter
used previously in photon searches by the Pierre Auger Collaboration. On the other hand, the
observable Q exploits the difference in the slope of the lateral distribution of particles between
photon- and hadron-initiated showers. In the latter case, the showers are expected to develop
higher in the atmosphere and thus they arrive to the ground with a flatter distribution of particles.
In this work, we tune both observables to be applied in the surface and muon detector of
the Auger Observatory for energies above E rec = 10 16.4 eV and θ < 45°. A multiparametric
method, baptized M b +Q, is extensively studied and its performance is addressed under numerous
conditions. The background rejection and the signal efficiency for the compound method is proved
to be suitable to impose the best upper limits of all the cosmic-ray experiments with only a few years
of data, and particularly improve them by one order of magnitude by the end of Auger planned
operation at December 31 st 2025. Considering the high exposure of the Auger experiment in the
direction of the Galactic center, the method described in this thesis represents a valuable tool
with an unprecedented discovery potential in the detection of a minuscule photon signal in the
cosmic-ray flux. Although a blind estimation of the sensitivity to a photon flux is presented in
this research, the application to data is foreseen to be carried out in the near future for a dedicated
full-author list paper of the Pierre Auger Collaboration.