Abstract:
Die ultrahochenergetische kosmische Strahlung, die in der Erdatmosphäre massive Teilchenkaskaden (ausgedehnt Luftschauer) auslöst, kann am Erdboden mit Hilfe von Detektorfeldern gemessen werden. Unter den verschiedenen Detektoren, die zum Einsatz kommen, haben Radioantennen im letzten Jahrzehnt an Bedeutung gewonnen, da sie eine einzigartige Möglichkeit bieten diese Luftschauer zu untersuchen. Die Radioemission, die während der Entwicklung des Luftschauers hauptsächlich durch die Ablenkung der Elektronen und Positronen in der Teilchenkaskade durch das Erdmagnetfeld entsteht, enthält Informationen über die Art der Teilchen, die den Schauer ausgelöst haben. ... mehrInsbesondere können Radioantennen zusammen mit Fluoreszenzteleskopen die Position des Maximums der Entwicklung des Luftschauers $X_\mathrm{max}$ rekonstruieren. Dieser rekonstruierte Parameter ist abhängig von der Art des primären Atomkerns der kosmischen Strahlung, die den Luftschauer ausgelöst hat. Die Kenntnis des Typs der kosmischen Strahlung wiederum trägt zu einem besseren Verständnis der Beschleunigungsprozesse astrophysikalischer Quellen in unserem Universum bei.
Das IceCube Neutrino Observatorium am geografischen Südpol ist ein Mehrzweckdetektor, der sowohl astrophysikalische Neutrinos, als auch Luftschauer nachweisen kann, insbesondere mit seinem Oberflächendetektor, IceTop. Um IceTop als Detektor für kosmische Strahlung zu verbessern und die Auswirkungen der Schneeansammlung abzuschwächen, soll in den kommenden Jahren ein hybrider Dektector aus anhebbaren Szintillationsplatten und Radioantennen installiert werden. Dieser Sub-Detektor wird aus 32 Stationen bestehen, die jeweils 8 Szintillationspaneele und 3 Antennen umfassen und eine Fläche von 1 km$^2$ abdecken. Die Radioantennen nutzen mit 70 bis 350 MHz statt 30 bis 80 MHz ein höheres Frequenzband als bisher üblich. Der erste vollständige Prototyp einer Hybridstation wurde im Januar 2020 in Betrieb genommen. Diese Arbeit behandelt die Hardware der Prototyp-Station und der zukünftigen geplanten Stationen, die Inbetriebnahme der Daten der Prototyp-Station sowie eine Methode zur Energie- und $X_\text{max}$-Rekonstruktion, die auf der Grundlage gemessener Ereignisse und Monte-Carlo-Simulationen entwickelt wurde.
Insbesondere wurde eine Struktur zum Anheben der Antennen über dem Schnee entworfen, gebaut, im Feld getestet und produziert, zusammen mit einer Radio-Frontend-Platine für die analoge Vorverarbeitung des von den Antennen empfangenen Signals. Die Kalibrierung der anderen Radiosignalkomponenten bei verschiedenen Temperaturen erreicht eine Amplitudenunsicherheit von nur 3,9%, was deutlich unter der geforderten Unsicherheit von 10% für die Radio-Signalkette liegt. Die Funktionsweise der Detektoren wurde durch die Analyse des Radio-Untergrunds unter Verwendung der entwickelten Radio-Datenanalysekette bestätigt. Es wurden insgesamt 121 Luftschauer nachgewiesen, von denen 5 auch durch die anderen Detektoren nachgewiesen wurden. Sechszehn Luftschauer wurden verwendet, um die erste Energie- und $X_\text{max}$-Rekonstruktionsmethode für die Radiokomponente der Detektorerweiterung zu entwickeln.
Diese Rekonstruktionsmethode basiert auf dem neuesten Stand der Technik für Radio-Detektoren. Es wurde eine Analyse des Einflusses des Radio-Untergrundes auf das Signal durchgeführt. Anschließend wird die üblicherweise verwendete Methode der $\chi^2$-Minimierung durch eine Log-Likelihood-Minimierung mit einer Parametrisierung des Rauschens ersetzt, und es wird gezeigt, dass diese Technik mit den gemessenen Daten funktioniert. Darüber hinaus zeigt sich, dass bei denselben rekonstruierten Ereignissen das Hochfrequenzband mit den nur drei Antennen der Prototypstation eine deutlich bessere Genauigkeit als das traditionelle Niedrigfrequenzband aufweist. Sobald der gesamte Detektor fertiggestellt ist, wird die erwartete Rekonstruktionsgenauigkeit auf 15 g/cm$^2$ für $X_\text{max}$ und besser als 10% für die Energie geschätzt.
Abstract (englisch):
Ultra-high energy cosmic rays can be measured on the ground by arrays of detectors via the massive cascades of particles (air showers) they instigate in the Earth's atmosphere. Amongst the diverse detectors utilized, radio antennas became more popular in the last decade as these offer a unique opportunity to probe these air showers. The radio emission, which is created during the air shower development, mainly by the deflection of the electrons and positrons in the cascade by the Earth's magnetic field, encompasses information about the type of the particle that initiated the shower. ... mehrIndeed, radio antennas, alongside fluorescence telescopes, are able to reconstruct the atmospheric depth of the maximum development of the air shower $X_\mathrm{max}$. This observable is sensitive to the type of atomic nucleus of the cosmic ray which initiated the air showers. Knowledge about the cosmic ray type, in turn, increases the understanding of the powerful acceleration processes of astrophysical sources in our universe.
The IceCube Neutrino Observatory, located at the geographic South Pole, is a multi-purpose detector able to detect astrophysical neutrinos as well as air showers, especially with its complementary surface detector, IceTop. In order to improve IceTop as a cosmic ray detector and mitigate the effect of snow accumulation, a hybrid array composed of elevated scintillation panels and radio antennas is planned to be deployed in the coming years. This array will be composed of 32 stations, each comprising 8 scintillation panels and 3 antennas, covering an area of 1 km$^2$. The radio array uses a higher frequency band than the other radio experiments, nominally from 70 to 350 MHz instead of 30 to 80 MHz. The first complete prototype of a hybrid station was deployed in January 2020. In this work, the hardware of the prototype station and of the prospective planned stations, the commissioning of the data from the prototype station, and an energy and $X_\mathrm{max}$ reconstruction method developed based on measured events and Monte Carlo simulation, will be presented.
Specifically, a structure for raising the antennas over the snow was designed, built, field-tested, and produced, alongside with a radio front-end board for the pre-preprocessing of the analog signal received from the antennas. The calibration of the other radio signal components at various temperatures reaches an uncertainty on the amplitude of only 3.9%, significantly lower than the 10% uncertainty requirement on the radio signal chain. The functioning of the array was confirmed by analysing the radio background at the site, utilizing the developed radio data processing pipeline. Ultimately, a total of 121 air showers were detected, 5 of which are shown to also have an in-ice counterpart. Finally, 16 air showers are used to develop the first energy and $X_\mathrm{max}$ reconstruction method for the radio component of the surface array enhancement.
This reconstruction method is based on the state-of-the-art technique for radio arrays. A complete study concerning the influence of the background radio noise on the signal is performed. Afterwards, the commonly used $\chi^2$ minimization method is converted to a log-likelihood minimisation with a complete parametrisation of the noise. The technique is shown to work with the measured data. Furthermore, for the same reconstructed events, the high frequency band gives rise to a significantly better reconstruction accuracy than the traditional low frequency band, even with only the three antennas of the prototype station. Once the planned array is completed the expected reconstruction precision is estimated at 15 g/cm$^2$ for $X_\mathrm{max}$ and less than 10% in energy.
