Mass-dependent anisotropy of ultra-high-energy cosmic rays

Das Pierre Auger Observatory sammelt seit über 19 Jahren Daten und hat seitdem mehr als 123$\,$000$\,$km$^2\,$sr$\,$yr exposure mit seinem Oberflächendetektoren, welcher 3000$\,$km$^2$ groß ist, erreicht.
Die signifikanteste Entdeckung bis zum heutigen Tag ist eine Dipolstruktur in den Ankunftsrichtungen der kosmischen Strahlung, welche eine Gesamtamplitude von etwa 7$\%$ aufweist.
Die Amplitude kommt von der beobachteten Modulation der Rektaszension in dem Energiebereich oberhalb von 8$\,$EeV, ab welcher berechnete Dipol-Äquatorialkomponente eine statistische Signifikanz von $6.8\sigma$ aufweist.
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Ein ähnliches Dipolmuster in den Ereignissen mit Energien zwischen 8 und 16$\,$EeV wurde kürzlich mit einer statistischen Signifikanz von über $5\sigma$ beobachtet.
Die Pierre Auger Collaboration hat ebenfalls eine Zunahme der Dipolamplitude mit der Energie gefunden.
Es wird davon ausgegangen, dass diese Anisotropie extra-galaktischen Ursprungs ist, da das Maximum des Dipols ${\sim}115^\circ$ vom galaktischen Zentrum zeigt.

Im gleichen Energiebereich deutet die beobachtete Entwicklung die Dicke der darueberliegenden Luftsehieh der maximalen Schauerentwicklung mit der Energie auf eine Zusammensetzung der kosmischen Strahlung mit zunehmender Energie.

In dieser Arbeit stelle ich einen neuen Ansatz für die Suche nach einer durch die Zusammensetzung mass-enhanced Anisotropie vor.
Einerseits haben leichtere Kosmische Strahlen eine höhere magnetische Steifigkeit als schwere kosmische Strahlung; daher werden ihre Trajektorien weniger von den galaktischen und extra-galaktischen Magnetfeldern beeinflusst.
Es wird erwartet, dass eine Population von leichteren kosmischen Strahlen eine höhere Anisotropie aufweist, als eine Population von schweren kosmischen Strahlen.
Andererseits ist die Abschwächungslänge für jede Massengruppe unterschiedlich, was zu unterschiedlichen Maximaldistanzen zu Quellen der kosmischen Strahlung für leichte und schwere Teilchen bei einer bestimmten Energie führt.
Im Rahmen eines quellenunabhängigen Modells untersuche ich die Dipolamplitude als eine Funktion der magnetischen Steifigkeit.
Mit Hilfe einer Simulationsbibliothek analysiere ich die Möglichkeit, eine Trennung in der Gesamtdipolamplitude zwischen zwei $A$-unterschiedlichen Unterpopulationen des Auger Phase I Datensatzes zu messen.

Nach Prüfung der vorgeschlagenen Methode hat die Pierre Auger Collaboration diese Analyse genehmigt, um die Masseninformation bei der Suche nach großräumigen Anisotropien zu verdeutlichen.
Dieser neuartige Ansatz zeigt, dass ein Massenschätzer bei der Suche nach Anisotropien bereits in Phase I der Datenerfassung des Observatoriums verwendet werden kann.
Wir haben eine Trennung in den Dipolamplituden von zwei $A$-unterschiedlichen Teilmengen der Daten beobachtet, was auf eine Abhängigkeit der gemessenen Dipolamplitude von der Masse/Ladung hinweist.
Die stärkste Trennung tritt im Energiebereich von 8 bis 16$\,$EeV auf.
Dort beträgt die berechnete Zufallswahrscheinlichkeit $2.9{\times}10^{-5}$, was einer zweiseitigen Signifikanz von $4.18\sigma$ entspricht.
Die zusätzlichen Informationen können zum Verständnis der möglichen Quellen der ultrahochenergetischen kosmischen Strahlung beitragen, da eine engere Eingrenzung der plausiblen Quellenszenarien erforderlich ist, um diese Messungen erklären zu können.


Diese und zukünftige masseninformierte Anisotropie-Suchen werden möglicherweise im Rahmen von AugerPrime, der die nächsten Generation der Datenaufnahme des Pierre Auger Observatory, verbessert werden.
In der zweiten Phase der Datenaufnahme werden zusätzliche Nachweistechniken die Massensensitivität des Observatoriums verbessern.

The Pierre Auger Observatory has been collecting data for over 19 years, reaching more than 123$\,$000$\,$km$^2\,$sr$\,$yr of accumulated exposure, with the surface detectors spread over 3000$\,$km$^2$.
The most significant discovery to this date is a dipole structure on the arrival directions of cosmic rays, with a total amplitude of approximately 7$\%$.
This results from the observed modulation in right ascension in the inclusive energy bin above 8$\,$EeV, where the computed dipole equatorial component has a statistical significance of $6.8\sigma$.
A similar dipole pattern in the events with energies between 8 and 16$\,$EeV has recently been observed with a statistical significance of over $5\sigma$.
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The Pierre Auger Collaboration has also reported an increase in the dipole amplitude with energy.
This anisotropy is understood to be of extra-galactic origin, as the maximum of the dipole points to a direction ${\sim}115^\circ$ away from the Galactic center.

In the same energy range, the observed evolution of the depth of maximum shower development with energy indicates a progression towards heavier composition of cosmic rays with increasing energy.

In this thesis I present a novel approach to a search for composition-enhanced large-scale anisotropy.
On the one hand, lighter events have higher rigidity than their heavier counterparts; therefore, their trajectories are less affected by the Galactic and extra-galactic magnetic fields.
The expected effect is a higher anisotropy in the arrival direction of a subset of events with smaller mass and charge than the anisotropy in the overall flux of cosmic rays.
On the other hand, the attenuation length is distinct for each mass group, leading to different horizons of cosmic ray sources for light and heavy particles at a given energy.
Under a source-agnostic model, I investigate the dipole amplitude as a function of rigidity.
Using a simulation library, I analyze the possibility of measuring a separation in total dipole amplitude between two $A$-distinct sub-populations of the Auger Phase I dataset.

After scrutinizing the proposed method, the Pierre Auger Collaboration has approved this analysis to unblind the mass information in a search for large-scale anisotropy.
This novel approach indicates that a mass estimator can be used in searches for anisotropies already in Phase I of the Observatory data-taking.
We have observed a separation in the dipole amplitudes of two $A$-distinct subsets of the data, which indicates a dependency of the measured dipole amplitude on the mass/charge.
The most significant separation occurs in the 8 to 16\,EeV energy range.
There the computed chance probability is $2.9{\times}10^{-5}$, corresponding to a two-sided significance of $4.18\sigma$.
The additional information can help understand the potential sources of the ultra-high-energy cosmic rays, as a tighter constraint of the plausible source scenarios is needed to describe the measurements presented here.

This and future mass-informed anisotropy searches will be potentially improved in the context of AugerPrime, the upgraded stage of the Pierre Auger Observatory.
In its second data-taking phase, additional detection techniques will improve the mass-sensitivity of the Observatory.