Calibrating the cosmic-ray energy scale of the Pierre Auger Observatory using radio detection of extensive air showers in AERA

Das Pierre Auger Observatorium ist die größte Einrichtung für die Detektion ultrahochenergetischer kosmischer Strahlung. Mit Multi-Hybrid-Beobachtungen ausgedehnter Luftschauer misst es Schlüsseleigenschaften der kosmischen Teilchen. Eine Detektionsmethode, deren Bedeutung für die wissenschaftliche Gemeinschaft in den letzten Jahren stark zugenommen hat, ist die Messung kohärenter Radiosignale, die in Luftschauern freigesetzt werden. Am Auger Observatorium wird die Radiodetektion seit über zehn Jahren in einem kleinen Teil des Observatoriums mit dem Auger Engineering Radio Array (AERA) durchgeführt. ... mehrDie mit AERA gesammelten Erfahrungen und Erfolge führten zum kürzlich installierten neuen Radiodetektor (RD), der die mit AERA gemachten Studien erweitern und die Empfindlichkeit und die physikalischen Ergebnisse des Pierre Auger Observatoriums im Allgemeinen bereichern wird. Eine besondere Aufgabe, die mit Radiodetektoren erfüllt werden kann, ist die Bestimmung der absoluten Energieskala der kosmischen Strahlung. Die Bereitstellung einer genauen Energieskala ist entscheidend für die Interpretation fast aller Ergebnisse über die Eigenschaften der kosmischen Strahlung, die mit dem Auger Observatorium gewonnen werden können. Wir bringen mehrere Komponenten für kalibrierte Energiemessungen von Luftschauern mit AERA zusammen, um eine Kreuzkalibrierung von dessen Energieskala mit der etablierten Energieskala des Pierre Auger Observatoriums von dem Fluoreszenzdetektor (FD) durchzuführen. Als ersten Baustein nutzen wir eine beispiellose statistische Aussagekraft von Hybridmessungen mit dem dicht gereihten Oberflächendetektor (SD-750) und AERA. Die AERA-Daten werden mit Hilfe bestehender elektrischer Feldmühlen um untaugliche Zeiträume bereinigt, die durch starke atmosphärische Felder in Gewittern beeinflusst sind. Um in Zukunft eine Folgeanalyse der Radioenergieskala mit dem RD durchführen zu können, haben wir fünf neue fernliegende Stationen mit elektrischen Feldmühlen über das Pierre Auger Observatorium verteilt aufgestellt. Die Stationen sind so konzipiert, dass sie automatisch eine absolute Kalibrierung ihrer Messungen des elektrischen Feldes mit einer Genauigkeit von 6,5\% liefern. Weitere Bausteine für die Energieskalenanalyse mit AERA sind eine gut entwickelte Radio-Rekonstruktion und eine genaue Kalibrierung von AERA mithilfe der diffusen galaktischen Emission. Die galaktische Kalibrierung spielt eine Schlüsselrolle in der Radioenergieskala. Um ihre Genauigkeit zu erfassen, führen wir eine dedizierte Studie über Modelle des galaktischen Radiohimmels durch und finden eine globale Abschätzung der systematischen Unsicherheit von 7,2\% auf der Energieskala der kosmischen Strahlung, die sich im Fall der Radiodetektoren des Auger Observatoriums auf 5,9\% reduziert. Mit allen gesammelten Bausteinen selektieren wir etwa 600 hybride Luftschauerereignisse (SD-750 -- AERA) von hoher Qualität aus, die wir mit CORSIKA und CoREAS simulieren wobei deren Energie auf der FD-Energieskala angesetzt ist. Diese Luftschauerereignisse haben Energien im Bereich zwischen $3\times {10}^{17}$ eV und $4\times {10}^{18}$ eV und Zenitwinkeln bis zu ${55}^{\circ }$. Durch den Vergleich von Daten und Simulationen der Radioenergie-Schätzer stellen wir fest, dass die Radioenergieskala 12\% höher liegt als die FD-Energieskala. Wir diskutieren ausführlich die systematischen Unsicherheiten, die derzeit in der Größenordnung der Differenz zwischen den Energieskalen liegen. Dieses Ergebnis stellt eine wichtige unabhängige Gegenprüfung der Energieskala des Pierre Auger Observatoriums dar. Perspektivisch könnten die FD- und die Radioenergieskala kombiniert werden. Eine Validierung und Ausweitung der vorgestellten Analyse auf geneigte Luftschauer und auf die höchsten Energien wird mit dem RD durchgeführt werden.

The Pierre Auger Observatory is the largest facility for the detection of ultra-high energetic cosmic rays. With multi-hybrid observations of extensive air showers it measures key properties of the cosmic particles. One detection technique whose relevance to the community has grown significantly in the past years, is the measurement of coherent radio signals release in air showers. At the Auger Observatory, radio detection has been taken on in a small part of the observatory with the Auger Engineering Radio Array (AERA) for over ten years. The experiences and successes made with AERA resulted in the recently installed new Radio Detector (RD) that is on to expand on studies made with AERA and enhance the sensitivity and physics results of the Pierre Auger Observatory in general. ... mehrOne particular task that can be done with radio detectors is determining the absolute energy scale of cosmic rays. Providing an accurate energy scale is crucial to the interpretation of almost all results about the properties of cosmic rays that can be obtained with the Auger Observatory. We bring together several ingredients for calibrated energy measurements of air showers with AERA to perform a cross-calibration of its energy scale with the established energy scale of the Pierre Auger Observatory from the fluorescence detector (FD). As the first ingredient, we make use of unprecedented statistics of hybrid measurements with the dense surface detector array (SD-750) and AERA. The AERA data are cleaned for periods affected by strong atmospheric fields in thunderstorms using existing electric field mills. To be able to conduct a follow-up analysis of the radio energy scale with the RD in the future, we deployed five new remote stations with electric field mills spread across the Pierre Auger Observatory. The stations are designed to automatically provide an absolute calibration of their electric-field measurements with an accuracy of 6.5\%. Further ingredients for the energy-scale analysis with AERA include a well-developed radio reconstruction and an accurate calibration of AERA using the diffuse Galactic emission. The Galactic calibration plays a key role in the radio energy scale. To understand its accuracy, we perform a dedicated study on models of the Galactic radio sky finding a global systematic uncertainty estimate of 7.2\% on the cosmic-ray energy scale that reduces to 5.9\% in the case of the radio detectors at the Auger Observatory. With all ingredients collected, we select around 600 hybrid air-shower events (SD-750 -- AERA) of high quality that we simulate in CORSIKA and CoREAS with their energy estimated on the FD energy scale. These events have energies from $3\times {10}^{17}$ eV to $4\times {10}^{18}$ eV and zenith angles up to ${55}^{\circ }$. By data-to-simulation comparison of the radio energy estimators, we find that the radio energy scale is set 12\% higher than the FD energy scale. We discuss the systematic uncertainties extensively, which currently are of the order of the difference between the energy scales. This result constitutes an important independent cross-check of the energy scale of the Pierre Auger Observatory. Perspectively, the FD and radio energy scales could be combined. A validation and extension of the presented analysis to inclined events and to the highest energies will be done with the RD.