The low-energy extension of the Surface Detector Array of the Pierre Auger Observatory

Der Nachweis des Energiespektrums der kosmischen Strahlung mit Oberflächendetektoren erstreckt sich über sechs Größenordnungen der Energie, von ${10}^{15}$~eV bis zu mehr als ${10}^{20}$~eV. Es folgt einem Potenzgesetz mit einem Spektralindex $\gamma \simeq 3$ und weist fünf Merkmale auf, die durch kleine Abweichungen im Spektralindex gekennzeichnet sind: das Knie, das zweite Knie oder Eisenknie, der Knöchel, der ``Instep'' und eine Unterdrückung bei den höchsten Energien. Insbesondere das zweite Knie wurde bei $\sim {10}^{17}$~eV von mehreren Observatorien als Versteilerung des Spektrums beobachtet. ... mehrSeine Deutung könnte mit der maximalen Energie der Beschleunigungsorte in der Galaxie zusammenhängen, da bei diesen Energien eine allmähliche schwerere Zusammensetzung beobachtet wurde, die den sogenannten Peters-Zyklen entspricht.
Die astrophysikalische Interpretation der gewonnenen Daten ist immer noch heikel, vor allem weil die Art der Quellen, die Ausbreitungseffekte und die Zusammensetzung der kosmischen Strahlung stark miteinander verwoben sind.
Ein genaueres Verständnis des Ursprungs des zweiten Knies könnte möglich sein, wenn ein Observatorium in der Lage ist, alle spektralen Merkmale und die Massenzusammensetzung der kosmischen Strahlung mit einer gemeinsamen Energieskala zu messen.

Das Pierre-Auger-Observatorium im Westen Argentiniens ist das weltweit größte Observatorium für kosmische Strahlung. Ursprünglich wurde es gebaut, um den kosmischen Strahlungsfluss oberhalb von ${10}^{18.5}$~eV zu untersuchen, doch mehrere Erweiterungen haben diese Energieschwelle gesenkt. Eine dieser Erweiterungen wird in dieser Arbeit vorgestellt.

Um eine wirkliche Interpretation des zweiten Knies zu erreichen, hat das Pierre-Auger-Observatorium seinen Oberflächendetektor um eine dreieckige Anordnung von Wasser-Cherenkov-Detektoren mit einem Abstand von 433~m erweitert, um den Spektralbereich unterhalb von ${10}^{17}$~eV zu enthüllen.
Unsere Kollaboration hat bereits erste Hinweise auf das zweite Knie aus den Daten des 750-Meter-Oberflächendetektors und aus Messungen des Cherenkov-Lichts mit dem Fluoreszenzdetektor gemeldet.
Daher wird diese Erweiterung zum ersten Mal die Messung der drei Spektrumsmerkmale im höchsten Energiebereich nicht nur durch ein einziges Observatorium, sondern mit der gleichen Detektionstechnik ermöglichen.

Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Erweiterung des mit dem Oberflächendetektor des Pierre-Auger-Observatoriums gemessenen Energiespektrums bis hinunter zu Energien von ${10}^{16,5}$~eV. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde eine Reihe von Analyseschritten durchgeführt.
Zur Charakterisierung der Fähigkeiten des Arrays,
Luftschauer aufzuspüren und zu beproben, wurden Studien mit simulierten Schauern durchgeführt, um Trigger-Effizienz-Kurven zu erhalten. Diese Kurven sind ein wesentlicher Bestandteil der Definition der effektiven Exposition des Arrays und der entscheidende Schritt auf dem Weg zu einem endgültigen Energiespektrum.
Der Einsatz des dichteren Arrays erforderte die Optimierung, Erweiterung und Verbesserung des Prozesses zur Ereignisrekonstruktion, der auf einer bereits im Rahmen von Offline existierenden Grundrekonstruktion basiert.
Daher beinhaltet diese Arbeit eine umfassende Aktualisierung der Rekonstruktionsmethoden, die
zur Abschätzung der Flugbahn und Energie eines kosmischen Strahls unter Verwendung des neuen Oberflächendetektor-Arrays. Die Aktualisierung wurde motiviert durch die
Einbeziehung eines neuen Satzes von Detektoren und durch die Produktion eines völlig neuen Datensatzes.
Die Standardrekonstruktion von Luftschauern basiert auf einer empirischen Beschreibung der
der gesamten lateralen Verteilung von Sekundärteilchen am Boden. Für jedes Ereignis wird die
die erwartete Schauergröße in einem bestimmten Abstand zum Schauerkern ein robuster Estimator für die
Primärenergie.
Der nominell optimale Abstand ist der Abstand zum Kern, bei dem die fehlende Kenntnis der seitlichen
Verteilung der Schauer den geringsten Einfluss auf die Schätzung der Schauergröße hat, was bedeutet, dass bei diesem Referenzabstand die Verzerrung des rekonstruierten Signals minimal ist.
Der seitliche Abfall des deponierten Signals mit zunehmendem Abstand zur Schauerachse in der Schauer-Ebene
wird mit einer lateralen Verteilungsfunktion modelliert, deren Steigung als Funktion der Schauerbeobachtungsgrößen parametrisiert wird,
insbesondere der Zenitwinkel und die Schätzung der Primärenergiemessung im optimalen Abstand.
Sowohl die laterale Verteilungsfunktion, die zur Anpassung der beobachteten Signale als Funktion der Entfernung von der zentralen Achse eines Luftschauers verwendet wird, als auch der optimale Abstand hängen stark vom Abstand zwischen den Stationen ab.
Daher haben wir für das 433 Meter dichte Array den Referenzabstand und den Parametersatz für ein optimiertes Anpassungsverfahren aktualisiert, wobei wir auch von dem neuen verfügbaren Datensatz profitierten.

Die seitliche Verteilung ist besonders wichtig, da sie verwendet wird, um das erwartete
Signal in einem festen Referenzabstand von der Achse zu finden, um die Primärenergie zu schätzen.
Die stark von der Schauerneigung abhängige Energieschätzung
Neigung abhängt, wird mit der Constant Intensity Cut-Methode korrigiert, um einen vom Zenitwinkel unabhängigen Energieschätzer zu erhalten.
Wir haben festgestellt, dass das 433-Meter-Array, das im Mai 2019 fertiggestellt wurde, kosmische Strahlung mit voller Effizienz ab $3\times$10${}^{16}$~{eV} beobachtet und damit die Energie, bei der das zweite Knie im Spektrum beobachtet wurde, in den Erfassungsbereich bringt.
Infolge der erhöhten Empfindlichkeit für Schauer niedrigerer Energie war es möglich, den kosmischen Strahlungsfluss bis hinunter zu Energien zu messen, die eine halbe Größenordnung niedriger sind
als dies zuvor mit dem Oberflächenarray möglich war.

Wir haben ein Energiespektrum der kosmischen Strahlung mit Hilfe des 433 Meter langen Oberflächendetektor-Arrays des Pierre-Auger-Observatoriums erstellt.
Das dargestellte Spektrum zeigt einen Knick um $\sim {10}^{17}$~{eV}, wo der Spektralindex des ansonsten monotonen
Potenzspektrums seinen Wert ändert, was das Vorhandensein des zweiten Kniespektrums bestätigt.
Dieses Merkmal ist wichtig als Signatur für die
Änderung des Ursprungs und/oder der Arten der ankommenden kosmischen Strahlung.

Wir haben das resultierende Energiespektrum mit den Ergebnissen anderer Experimente verglichen.
Die hier vorgelegte Studie legt den Grundstein für zukünftige Messungen im Energiebereich bis hinunter zu ${10}^{16}$~eV mit einem Oberflächendetektor und erweitert damit den wissenschaftlichen Output des Auger Observatoriums.

The detection of the cosmic-ray energy spectrum with surface detectors spans over six orders of magnitude in energy, from ${10}^{15}$~eV up to more than ${10}^{20}$~eV. The energy spectrum follows a power law with a spectral index $\gamma \simeq 3$ exhibiting five features identified by small deviations in the spectral index: the knee, the second knee, the ankle, the ``instep'', and a suppression at the highest energies. Particularly, the second knee has been observed at $\sim {10}^{17}$~eV by several observatories as a steepening of the spectrum. Its interpretation may be connected to the maximal energy of the accelerators in the Galaxy, considering that a gradually heavier composition has been observed at these energies, which is along the lines of the so-called Peters cycles.
... mehr

The astrophysical interpretation of the acquired data is still delicate, mainly because the nature of the sources, the propagation effects, and the composition of the cosmic rays are strongly entwined.

The Pierre Auger Observatory, located in western Argentina, is the world's largest cosmic-ray observatory. While it was originally built to study the cosmic-ray flux above ${10}^{18.5}$~eV, several enhancements have reduced this energy threshold. One of such enhancements is going to be presented in this thesis work.

A more accurate understanding of the origin of the second knee may be possible if one observatory is capable of measuring all spectral features and the cosmic rays mass composition with a unique energy scale.
In this sense, the Pierre Auger Observatory extended its Surface Detector with the deployment of a $433$~m spaced triangular array of water-Cherenkov detectors to unveil the spectral region below ${10}^{17}$~eV.
Our Collaboration already reported some preliminary evidence of the second knee from the 750-metre surface detector data and from measurements of the Cherenkov light with the fluorescence detector.
Therefore, the 433-metre array will allow for the first time to measure the three UHE spectrum features not only by a single observatory but with the same detection technique.

The main objective of this thesis is to extend the energy spectrum measured with the Surface detector of the Pierre Auger Observatory down to energies of ${10}^{16.5}$~eV. Towards this goal, a variety of analysis steps were carried out.
To characterize the array’s abilities
to detect and sample air showers, studies of simulated showers were performed to obtain trigger efficiency curves that
are a vital ingredient in defining the effective exposure of the array and the essential step heading for a final energy spectrum.
The deployment of the denser array has required the optimization, extension, and improvement of the event-reconstruction process, based on a previous basic reconstruction already existing in the \Offline framework.
Therefore, this thesis includes an extensive update to the reconstruction methods used
to estimate the trajectory and energy of a cosmic ray using the new surface detector array. The update was motivated by the
inclusion of a new set of detectors and by the production of a whole new data set.
The standard reconstruction of air showers is based on an empirical description of
the overall lateral distribution of secondary particles on the ground. For each event, the
expected size at a certain distance to the shower core is a robust estimator of the
primary energy.
The nominated optimal distance is the distance to the core at which the lack of knowledge of the lateral
distribution of showers has the smallest impact on the estimation of the shower size, which means that at this reference distance the bias of the reconstructed signal is minimal.
The lateral fall-off of the deposited signal, with increasing distance to the shower axis in the shower plane
is modelled with a lateral distribution function which has a slope that is parametrised as a function of the shower observables,
notably the zenith angle and the estimation of the primary energy measurement at the optimal distance.
Both the lateral distribution function used to fit the observed signals as a function of distance from an air shower’s central axis and the optimal distance strongly depend on the spacing between stations.
Therefore, for 433-metre dense array we updated the reference distance and the set of parameters for an optimized fitting procedure, also benefiting from the newly available data set.

The lateral distribution is particularly important as it is used to find the expected
signal at the fixed reference distance from the axis to estimate the primary energy.
The energy estimation strongly dependent on the shower
inclination is corrected using the Constant Intensity Cut method to produce a zenith angle-independent energy estimator.

We found that the 433-metre array, completed in May 2019, observes cosmic rays with full efficiency from $3\times$10${}^{16}$~{eV}, thus bringing within detection range the energy at which the second knee has been observed in the spectrum.
As a result of the increased sensitivity to lower energy showers, it was possible to measure the cosmic ray flux down to energies half an order of magnitude lower
than what was previously possible by the surface array.

We built an energy spectrum of cosmic rays using the 433-metre surface detector array of the Pierre Auger Observatory.
The presented spectrum shows an inflexion around $\sim {10}^{17}$~{eV}, where the spectral index of the otherwise monotonous
power law spectrum changes value, confirming the presence of the second knee spectral feature.
This feature is important as a signature of the
change in origin and/or types of arriving cosmic rays.
We compared the resulting energy spectrum with the results of other experiments.
This study lays the ground mark for future measurements in the energy range as low as ${10}^{16}$~eV with a surface detector thus expanding the scientific output of the Auger Observatory.