Spectrum of Light Cosmic Rays in the PeV Energy Range Measured with IceCube

Das Gesamtenergiespektrum der kosmischen Strahlung erstreckt sich über 11 Größen-ordnungen und wurde von zahlreichen Experimenten gemessen. Die Untersuchung der kosmischen Strahlung oberhalb einiger hundert TeV ist nur indirekt möglich, indem ausgedehnte Luftschauer detektiert werden. Bei dieser Methode sind Rekonstruktionen der Masse generell nur in der Lage, einem einzelnen Event eine sogenannte Massengruppe zuzuordnen, oder sie beschränken sich auf eine statistische Auswertung, indem Massengruppenanteile oder die Durchschnittsmasse bestimmt werden. Das IceCube Neutrino-Observatorium besteht aus einem Array optischer Instrumente innerhalb eines Volumens von $1\,\mathrm{km}^3$ tief im Eis der Antarktis, sowie einer Anordnung von Detektoren an der Oberfläche für den Nachweis von Teilchenkaskaden, die durch kosmische Strahlung, welche die Erde erreicht, ausgelöst werden. ... mehrDie Selektion von Ereignissen, die in beiden Teilen dieses Teilchenteleskops gleichzeitig registriert werden, eröffnet die Möglichkeit, die Energie und die Masse der Primärteilchen der kosmischen Strahlung zu rekonstruieren.

Diese Analyse bietet eine Rekonstruktion des kombinierten Spektrums von Protonen und Heliumkernen zwischen $200\,\mathrm{TeV}$ und $10\,\mathrm{PeV}$ unter Verwendung von IceCube-Daten. Es ist die erste Messung des Flusses der leichten kosmischen Strahlung im Energiebereich von $300\,\mathrm{TeV}$ bis $1.4\,\mathrm{PeV}$, bei der post-LHC hadronische Interaktionsmodelle für die Interpretation der Messungen verwendet werden. Dieser Energiebereich ist von besonderem Interesse, da er den Übergang vom direkten Nachweis der kosmischen Strahlung zu indirekten Messungen mit Luftschauern markiert. Der PeV-Energiebereich weist ein Defizit an Messungen der Zusammensetzung kosmischer Strahlung auf. Die Bestimmung des Spektrums der leichten kosmischen Strahlung trägt dazu bei, die Modelle für den astrophysikalischen Ursprung dieser hochenergetischen Teilchen einzuschränken.

Im Rahmen dieser Analyse wurde eine große Datenbank mit Ereignissimulationen erstellt, die drei der neuesten hadronischen Wechselwirkungsmodelle und fünf verschiedene Primärteilchentypen umfasst. Ein neuronales Netz wurde konstruiert, trainert und auf Luftschauerdaten angewendet. Es erhält Informationen von der Oberfläche und dem Detektor im Eis sowie von einer hybriden Schauer-Rekonstruktion und liefert Vorhersagen zu Primärenergie und -typ.

Das erhaltene Spektrum der leichten kosmischen Strahlung steht in guter Übereinstimmung mit astrophysikalischen Modellen, welche ein Potenzgesetz mit einem Spektralindex von etwa $-2,7$ annehmen. Außerdem stimmt es mit der Annahme überein, dass Protonen und Heliumkerne den kosmischen Strahlungsfluss unterhalb des Knies dominieren. Zwischen den Ergebnissen, die auf den drei verglichenen hadronischen Wechselwirkungsmodellen basieren, werden geringfügige Unterschiede beobachtet. Eine allmähliche Abweichung vom ungebrochenen Potenzgesetz in Richtung eines weicheren Spektrums, d.h. einer runden knieähnlichen Struktur, zeigt sich zwischen $2\,\mathrm{PeV}$ und $8\,\mathrm{PeV}$, je nach hadronischem Modell.

The all-particle energy spectrum of cosmic rays spans over 11 orders of magnitude and has been measured by numerous experiments. Probing cosmic radiation above a few hundred TeV is only possible via the indirect approach of detecting extensive air showers. With this method, mass reconstructions are generally only capable of assigning a so-called mass group to an individual event, or they are even limited to statistical inference such as reporting mass group fractions or an average mass. The IceCube Neutrino Observatory consists of a $1\,\mathrm{km}^3$ array of optical instruments deep in the ice of Antarctica as well as an arrangement of sensors at the surface for the detection of particle cascades, which are initiated by cosmic rays reaching Earth. ... mehrSelecting events that are registered in both parts of this particle telescope in coincidence opens the possibility of reconstructing the energy and mass of the primary cosmic ray.

This analysis provides a reconstruction of the combined spectrum of protons and helium nuclei between $200\,\mathrm{TeV}$ and $10\,\mathrm{PeV}$ using IceCube data. It is the first measurement of the light cosmic-ray flux in the energy range $300\,\mathrm{TeV}$-$1.4\,\mathrm{PeV}$ using post-LHC hadronic interaction models to interpret the measurements. This energy range is of particular interest as it marks the transition from direct detection of cosmic radiation to indirect measurements with air showers. The PeV energy range exhibits a deficiency in composition measurements. Determining the spectrum of light cosmic rays contributes in constraining models of the astrophysical origin of those highly energetic particles.

In the framework of this analysis, a large database of event simulations has been created, including three of the latest hadronic interaction models and five different primary particle types. A neural network has been constructed, which is trained and applied to air-shower event data. It takes information from the surface and the in-ice detector as well as from a hybrid shower reconstruction and returns predictions of primary energy and type.

The obtained light cosmic-ray spectrum is in good agreement with astrophysical models that claim a power law with a spectral index of approximately $-2.7$. Furthermore, it is in agreement with the assumption of protons and helium nuclei dominating the cosmic-ray flux below the knee. Minor differences are observed between the results based on the three hadronic interaction models that have been compared. A gradual deviation from the unbroken power law towards a softer spectrum, that is, a soft knee-like structure, is indicated between $2\,\mathrm{PeV}$ and $8\,\mathrm{PeV}$, depending on the hadronic interaction model.