Simulating radio emission from air showers with CORSIKA 8 - Relevance for energy and mass reconstruction

Die Radiodetektionstechnik hat in den letzten zwei Jahrzehnten eine beeindruckende Renaissance erlebt und sich als zuverlässige Methode zur Rekonstruktion grundlegender Eigenschaften der kosmischen Strahlung und der ausgedehnten Luftschauer, die sie beim Auftreffen auf die Erdatmosphäre auslösen, etabliert. Um dies zu erreichen, sind Simulationsmethoden von entscheidender Bedeutung. Während bestehende Simulationssoftwares, die seit vielen Jahren verwendet werden, vorhanden sind, wird der Nutzen der Entwicklung einer neuen Simulationssoftware, die moderne Technologien nutzt und flexibel genug ist, um den wachsenden Anforderungen moderner Experimente gerecht zu werden, offensichtlich. ... mehrDie Vorhersagen von Simulationen müssen sehr genau sein und dürfen keine Unsicherheiten erzeugen. Die
Radioemission ausgedehnter Luftschauer ist ein gut verstandener Prozess, der auf Grundprinzipien beruht. Zwei der gebräuchlichsten Formalismen, die es beschreiben, nämlich der „Endpoint“-Formalismus und ZHS, werden von den etablierten Luftschauer-Simulationssoftwares CORSIKA 7 bzw. ZHAireS verwendet. Beide werden unter unterschiedlichen Annahmen berechnet und der Grad ihrer Übereinstimmung ist ein guter Hinweis darauf, wie gut die Radioemission von ausgedehnten Luftschauern verstanden ist. Zuverlässige Radiosimulationen und ein sehr gutes Verständnis der Radioemissionsberechnungen sind die Schlüsselfaktoren für eine erfolgreiche Energie- und Massenrekonstruktion der kosmischen Strahlung.

Die Arbeit dieser Thesis lässt sich in zwei Teile gliedern. Der erste Teil konzentriert sich auf die Entwicklung eines modernen und flexiblen Radiomoduls als integraler Bestandteil der Monte-Carlo-Simulationssoftware der nächsten Generation, CORSIKA 8. Ihr Hauptziel ist die Bereitstellung einer voll funktionsfähigen Berechnung der Radioemission von Luftschauern, unter Verwendung sowohl des „Endpoint“- als auch des ZHS-Formalismus. Gleichzeitig verfügt es über ein neuartiges Design, das die Einbeziehung komplexer physikalischer Szenarien ermöglicht, die mit der vorhandenen Software nicht simuliert werden können. Sobald ich das Code-Design, die Features und die Fähigkeiten des Radiomoduls vorgestellt habe, wird es mit vorhandener Software validiert. Die „Endpoint“- und ZHS-Formalismen werden für Luftschauer direkt verglichen und der Grad ihrer Übereinstimmung quantifiziert. Darüber hinaus werde ich den Einfluss von Simulationsdetails auf die Energie- und Massenrekonstruktion untersuchen. Sobald ich festgestellt habe, dass die Berechnung der Radioemission tatsächlich gut verstanden ist und die Simulationen vertrauenswürdig sind, werde ich mit dem zweiten Teil dieser Arbeit fortfahren.

Eine Schlüsselgröße für ausgedehnte Luftschauer ist das Schauermaximum oder $X_{\rm max}$, das Informationen über die Massenzusammensetzung des Primärteilchens liefert. Gut etablierte $X_{\rm max}$-Rekonstruktionstechniken nutzen die im Signalimpuls enthaltenen Informationen in Form seiner Fluenz und verwerfen Informationen in Bezug auf die Impulsform. Das Hauptziel dieses Teils der Arbeit besteht darin, ein Rekonstruktionsschema zu entwickeln, das nicht auf der Fluenz basiert, sondern ausschließlich auf den in der Pulsform enthaltenen Informationen. Ich werde ein solches Rekonstruktionskonzept hinsichtlich seiner Genauigkeit vorstellen und bewerten und mögliche Chancen aufzeigen.

The radio detection technique has undergone an impressive renaissance over the last two decades establishing itself as a reliable method to reconstruct basic properties of Cosmic Rays and of the Extensive Air Showers they initiate when impinging Earth's atmosphere. To achieve this, simulation tools are of crucial importance. While existing simulation codes that are used for many years are in place, the benefit of developing new simulation software that takes advantage of modern technologies and is flexible enough to accommodate the growing needs of modern experiments becomes evident. ... mehrThe predictions of simulations need to be very accurate and not be burdened with uncertainties. The radio emission from Extensive Air Showers is a process well understood which is derived from first principles. Two of the most common formalisms that describe it, namely the "Endpoints" formalism and ZHS are employed by the well established air shower simulation codes, CORSIKA 7 and ZHAireS respectively. Both of them are calculated under different assumptions and the level of their agreement acts as a good indication on how well the radio emission from Extensive Air Showers is understood. Trustworthy radio simulations and a very good understanding of the radio emission calculations are the key ingredients of successful energy and mass reconstruction of cosmic rays.

The work of this thesis can be divided into two parts. The first part is focused on the development of a modern and flexible radio module as an integral part of the next-generation Monte Carlo simulation code, CORSIKA 8. Its main goal is to provide a fully functional calculation of the radio emission from air showers, utilizing both the "Endpoints" and ZHS formalisms. At the same time, it incorporates a novel design that allows the inclusion of complex physical scenarios that one cannot simulate with the existing software. Once I have presented the code design, the features and the capabilities of the radio module, it is going to be validated with existing software. The "Endpoints" and ZHS formalisms are going to be directly compared for air showers and their level of agreement is going to be quantified. In addition, I will inspect the impact of simulation details on energy and mass reconstruction. Once I have established that the radio emission calculation is indeed well understood and the simulations are trustworthy I will proceed to the second part of this thesis.

A key quantity for Extensive Air showers is the shower maximum, or $X_{\rm max}$, which reveals information regarding the mass composition of the primary particle. Well established $X_{\rm max}$ reconstruction techniques utilize the information carried in the signal pulse in the form of its fluence, discarding information with respect to the pulse shape. The primary objective of this part of the thesis is to develop a reconstruction scheme that does not rely on fluence, instead relies solely on the information contained in the pulse shape. I will present and benchmark such a reconstruction scheme in terms of its accuracy and point out potential opportunities.