The Muon Puzzle and the Neutron Component in Extensive Air Showers

Das Pierre-Auger-Observatorium ist das größte Observatorium für kosmische Strahlung der Welt und hat in seinen 20 Jahren Betrieb erheblich zu unserem Verständnis von kosmischen Strahlen mit ultra-hoher Energie beigetragen.
Obwohl die Existenz dieser kosmischen Strahlen mit ultra-hoher Energie seit mehr als einem halben Jahrhundert bekannt ist, bleiben viele Fragen, einschließlich ihrer Herkunft, weiterhin unbeantwortet.
Darüber hinaus ermöglichen sie das Studium von hadronischen Wechselwirkungen bei Energien, die weit über die mit menschengemachten Beschleunigern erreichbaren Energien hinausgehen.
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Dabei werden Luftschauer gemessen, die die kosmische Strahlung bei der Wechselwirkung mit der Erdatmosphäre erzeugt.
Es gibt eine signifikante Diskrepanz zwischen den beobachteten Daten und den Simulationen, wobei die gemessene Häufigkeit von Myonen die Vorhersagen der aktuellen Wechselwirkungsmodelle übertrifft.
Diese Arbeit hat das Ziel, diese Diskrepanz mithilfe von Messungen und Simulationen des Oberflächendetektors des Pierre-Auger-Observatoriums zu untersuchen.
Zwei Quellen für die Diskrepanz zwischen gemessenen und simulierten Signalen, die nicht spezifisch auf den Myon-Gehalt selbst zurückzuführen sind, werden untersucht:
eine im Zusammenhang mit der Kalibrierung und Verarbeitung der Messungen in Bezug auf die Rekonstruktion von Signalen aus Zeitverläufen.
Ein Algorithmus zur Bestimmung des Untergrundsignals wird entwickelt, der auf einem realistischen Modell der Reaktion der Photomultiplier und der Elektronik der Oberflächendetektoren basiert.
Darüber hinaus wird festgestellt, dass die Schätzung des Verhältnisses der Verstärkung von zwei Auslesekanälen für die Photomultipliersignale zu einer Verzerrung der Oberflächendetektorsignale beiträgt.
Mit einem besseren Verständnis der Signale werden bestimmte Pulssignale vom Nachpulsen der Photomultiplier in den Zeitverläufen der Wasser-Cherenkov-Detektoren untersucht und deren Einfluss auf das Myon-Defizit ermittelt.
Die zweite Quelle der Diskrepanz zwischen gemessenen und simulierten Signalen ist der mögliche Beitrag von Neutronen zum Signal in den Wasser-Cherenkov-Detektoren.
Die Neutronenkomponente wird zunächst anhand der Messungen von späten Pulsen in den Zeitverläufen der neuen Oberflächen-Szintillatordetektoren charakterisiert.
Die Ankunftszeitverteilung, das Pulsspektrum und andere Eigenschaften dieser späten Pulse werden untersucht.
Zudem wird das gemessene Spektrum der späten Pulse mit speziellen Luftschauersimulationen, die Neutronen über den gesamten Energiebereich einschließen, verglichen, um deren Plausibilität zu überprüfen.
Schließlich werden die Messungen der späten Pulse verwendet, um eine obere Schätzung des möglichen Beitrags von Neutronen zum Gesamtsignal in den Wasser-Cherenkov-Detektoren zu liefern und festzustellen, ob Neutronen einen bedeutenden Teil der Diskrepanz zwischen gemessenen und vorhergesagten Signalen ausmachen könnten, die bisher weitgehend einem Mangel an Myonen in letzteren zugeschrieben wurde.

The Pierre Auger Observatory is the largest cosmic ray observatory in the world and has made a significant contribution to our understanding of ultra-high-energy cosmic rays during its 20 years of operation.
Although the existence of these ultra-high energy cosmic rays is known already for more than half a century, many questions, including their origin, remain unanswered.
Additionally, they enable the study of hadronic interactions at energies far beyond those achievable with human-made accelerators through the measurement of the air showers they produce upon interacting with the Earth's atmosphere.
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A significant discrepancy exists between observational data and simulations, with the measured abundance of muons exceeding predictions from current interaction models.
This work aims to study this discrepancy using measurements and simulations of the surface detector of the Pierre Auger Observatory.
Two sources for the discrepancy between measured and simulated signals that are not specific to the muon content itself are explored: one related to the calibration and processing of measurements with respect to the reconstruction of signals from time traces.
An algorithm to determine the baselines of traces is developed based on a realistic model of the response of the photomultipliers and the electronics of the surface detectors.
Furthermore, the estimation of the ratio in the gain of two readout channels for the photomultiplier signals is identified to contribute to a bias in the surface detector signals.
With a better understanding of the signals measured by the detectors, the origins of specific features in time traces are examined, and their impact on the muon deficit is determined.
The second source of the discrepancy between measured and simulated signals is the possible contribution of neutrons to the signal in the water-Cherenkov detectors.
The neutron component is first characterized from the measurements of late pulses in the time traces of the new surface-scintillator detectors.
The arrival-time distribution, pulse spectrum, and other characteristics of these late pulses are studied.
Furthermore, the measured signal spectrum of late pulses is compared with dedicated air shower simulations including neutrons over the complete range of energies to validate the plausibility of the latter.
Finally, the measurements of late pulses are used to provide an upper estimate of the possible contribution of neutrons to the total signal in the water-Cherenkov detectors and to determine if neutrons could account for a meaningful fraction of the discrepancy between measured and predicted signals that has thus far largely been attributed to a lack of muons in the latter.