Abstract:
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. ... mehrUm 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.
Abstract (englisch):
Ultra high energy cosmic rays are particles that arrive at the Earth with energies above $10^{18}$ eV. When these particles interact with nuclei in the Earth's atmosphere, secondary particles are produced. These propagate towards the ground as extensive air showers. A number of questions remain open concerning these extremely energetic cosmic rays: the sources and acceleration mechanisms that give them origin, as well as their composition (the fraction of proton and of different nuclei type) and the nature of the suppression in their energy, among others, are still unknown. ... mehrTo shed light on these riddles, cosmic rays at the highest energies are studied at the Pierre Auger Observatory, in which a hybrid-detection technique, aiming to both enhance statistics and minimize systematic uncertainties, is implemented. Currently, the Pierre Auger Observatory is undergoing a major upgrade of its capabilities denominated AugerPrime. New detectors, such as radio antennas, surface scintillator detectors, and buried scintillator detectors are being deployed as part of this upgrade.
With the Auger Muons and Infill for the Ground Array (AMIGA) enhancement, it is aimed to both lower the detection threshold of the Pierre Auger Observatory down to energies of $\sim 10^{16.5}$ eV and to directly measure the muon content of extensive air showers. AMIGA consists of an array of coupled water-Cherenkov and buried scintillation detectors deployed in two overlapped triangular grids of 433 m and 750 m spacings. Each underground detector has a total area of 30 $\mathrm{m}^2$ and it is buried at a depth of 2.3 m to shield it from the electromagnetic component of showers. The scintillation plane is segmented in plastic-scintillator strips with embedded wavelength-shifting optical fibers coupled to an array of silicon photomultipliers (SiPMs). In this work, we present several studies on the AMIGA underground muon detector (UMD), which has two operating modes: the $counter$, designed to directly measure particles as they impinge on the detector and optimized to measure low muon densities and the $integrator$, which allows to estimate the muon content of extensive air showers by dividing the total signal charge by that of an average muon.
Firstly, we describe the current calibration for SiPMs and how the operation point of the $counter$ mode is set. Using both laboratory and field data, we have performed studies to corroborate the SiPM gain stability under temperature fluctuations, thoroughly characterized its noise sources, and proposed a muon counting strategy that rejects the SiPM noise without significantly losing muon signal. We have also used laboratory and field data to extract the main features of the $integrator$ mode and achieved an uncertainty model for its signal charge. We have also presented two possible calibration procedures for this mode: the first one based on shower events which can be performed offline, and the second one, based on background data that can be performed online.
Secondly, the AMIGA UMD simulations have been developed and implemented in the Auger data analysis and simulation software (Offline), as part of this thesis work. The code was developed and validated with laboratory data acquired using identical components as in the UMD final design. Both analog SiPM pulses and digital traces after the front-end board were acquired and compared to simulation outputs; the former using customized electronics and the latter with the same electronic kits as used in the UMD production. The main features of both $counter$ and $integrator$ channels relevant to the detector performance are discussed and the agreement between simulated and laboratory data is shown.
Finally, we used the recently implemented SiPM simulations in the Offline framework to study the bias sources of the $counter$ mode and to propose corrections that remove its reconstruction biases. We also used simulations to test the calibration of the $integrator$ mode and to compare both modes resolutions. We used these results to briefly study the sensitivity of the UMD to the composition of primary cosmic rays.
In this thesis work, we have made several contributions to AugerPrime: (i) studies to corroborate the stability of SiPMs, (ii) testing and tuning of the SiPM calibration procedure and the verification of its robustness, (iii) the characterization of UMD signals and noise sources, (iv) the determination of both efficiency and attenuation of scintillator strips with embedded optical fiber (v) a counting strategy for estimating the number of muons in air showers with the $counter$ mode, (vi) the end-to-end calibration of the $integrator$ mode using both online and offline data, (vii) the design, development, implementation and testing of SiPM and electronic simulations, (viii) the design, development, implementation and testing of the UMD event visualization in a graphic user interface, (ix) analyses on the effects of the soil in the UMD reconstruction, (x) a reconstruction bias correction for the $counter$ mode with SiPMs, (xi) analyses to enhance the UMD capabilities to perform studies on the composition of cosmic rays. As such, the tools and methods described in this thesis work are of paramount importance for future analyses performed with the underground muon detector of AugerPrime.
