Measurement of the Composition of Cosmic Rays and the Proton-Proton Inelastic Cross Section at Ultrahigh Energies with the Pierre Auger Observatory

Seit mehr als einem halben Jahrhundert ist die Existenz kosmischer Strahlung mit Energien jenseits von 10$^{20}$ eV bekannt. Jedoch bleibt das Verständnis ihres astrophysikalischen Ursprungs eines der größten ungelösten Probleme der modernen Astrophysik. Untersuchungen zur Massenzusammensetzung und hadronischen Wechselwirkungen der kosmischen Strahlung können unser Wissen über die Natur der ultrahochenergetischen kosmischen Strahlung verbessern. Die Massenzusammensetzung ist von großer Bedeutung, um mögliche astrophysikalische Quellen von kosmischer Strahlung einzugrenzen. ... mehrDie Untersuchung hadronischer Wechselwirkungen bei Energien weit über denen, die von Menschen gebauten Beschleunigern erreicht werden können, liefert grundlegende Erkenntnisse über die Physik der Wechselwirkungen bei der weichen Quantenchromodynamik.

In dieser Arbeit werden die Analysen des Wirkungsquerschnitts und der Massenzusammensetzung mit den neuesten Daten des Pierre-Auger-Observatoriums aktualisiert. Zur Schätzung der Massenzusammensetzung wird ein neuer Ansatz verwendet, der den Bayes'schen Markov-Chain-Monte-Carlo-Sampling-Algorithmus nutzt.

In dieser Arbeit wird zum ersten Mal ein kombinierter Ansatz für die unabhängige und gleichzeitige selbstkonsistente Abschätzung der Zusammensetzung der kosmischen Strahlung und der hadronischen Wechselwirkungen vorgestellt, der die Unzulänglichkeiten getrennter Analysen vermeidet. Eine Standardmessung der Massenzusammensetzung aus der Tiefe des atmosphärischen Schauermaximums, $X_\mathrm{max}$, wie es vom Fluoreszenzdetektor des Pierre-Auger-Observatoriums beobachtet wird, wird unter der Annahme eines modifizierten Proton-Proton-Wechselwirkungsquerschnitts durchgeführt. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass der abgeleitete inelastische Proton-Proton-Wechselwirkungsquerschnitt bei ultrahohen Energien gut mit Standard-Extrapolationen von Beschleunigerdaten übereinstimmt. Die in dieser Arbeit ermittelte Zusammensetzung der kosmischen Strahlung bestätigt frühere Abschätzungen. Aufgrund der hohen statistischen Aussagekraft des vollständigen Phase-I-Datensatzes des Pierre-Auger-Observatoriums und der Marginalisierung über den Wirkungsquerschnitt und die $X_\mathrm{max}$-Skala, die unserer neuen Analysemethode inhärent ist, ist die komplexe Entwicklung der Massengruppen mit der Energie nun mit größerer Sicherheit bekannt.

The existence of cosmic rays with energies beyond 10$^{20}$ eV has been known for over half a century, but understanding their astrophysical origin remains one of the major unsolved problems in modern astrophysics. Studies of the mass composition and hadronic interaction properties of cosmic rays can improve our knowledge of the nature of ultrahigh-energy cosmic rays. The mass composition is one of the key observables to constrain possible astrophysical sources of cosmic rays, and the study of hadronic interactions at energies far beyond man-made accelerators provides fundamental insights into the physics of soft QCD interactions. ... mehrHowever, neither the mass composition nor the interaction cross sections are well measured at ultrahigh energies, and their estimation typically requires assumptions on one of these quantities to determine the other.

In this work, the cross section and mass composition analyses are updated with the latest data of the Pierre Auger Observatory. The mass composition estimation employs a new approach, utilizing the Bayesian Markov Chain Monte Carlo sampling algorithm.

Avoiding the shortcomings of separate analyses, this work presents a combined approach for the independent and simultaneous self-consistent estimate of the cosmic-ray composition and hadronic interactions for the first time. A standard mass composition measurement from the depth of the atmospheric shower maximum, $X_\mathrm{max}$, as observed by the Fluorescence Detector of the Pierre Auger Observatory, is performed under the assumption of the modified proton-proton interaction cross section. Our results suggest that the inferred proton-proton inelastic cross section at ultrahigh energies agrees well with the standard extrapolations of accelerator data. The cosmic-ray composition determined in this work confirms earlier estimates. Due to the high statistics of the full Phase I data set of the Pierre Auger Observatory and the marginalization over the cross section and $X_\mathrm{max}$, inherent in our novel analysis method, the complex evolution of mass groups with energy is now known with higher confidence.