Abstract:
Aufgrund ihrer geringen Flussrate werden hochenergetische kosmische Strahlen, die in die Erdatmosphäre eindringen, indirekt durch die Teilchenkaskaden (Luftschauer) gemessen, die bei der Wechselwirkung mit der Atmosphäre entstehen. Die Signaturen der Schauer können mit bodengebundenen Detektor-Arrays beobachtet werden, wobei Informationen über die Eigenschaften der kosmischen Strahlen in den Merkmalen der gemessenen Teilchenverteilungen enthalten sind. Der Myonengehalt im Luftschauer ist eine der wichtigsten Messgrößen, da er eine direkte Verbindung zum hadronischen Teil des Luftschauers und damit zur Masse der kosmischen Strahlung aufweist. ... mehr
Mit dem IceCube-Neutrino-Observatorium sind Messungen von Myonen in zwei verschiedenen Energiebereichen möglich. Während dessen Oberflächenkomponente, IceTop, sensitiv gegenüber dem elektromagnetischen- und niederenergetischen ($\sim\,$GeV) Myonenbeitrags des Schauers ist, können hochenergetische ($\gtrsim 400\,$GeV) Myonen mit seinem tiefen In-Eis-Detektor beobachtet werden.
In dieser Arbeit wird der Myonengehalt in Luftschauern gemessen mit IceTop, unter Verwendung eines neu entwickelten wahrscheinlichkeitbasierten Rekonstruktionsalgorithmus analysiert. Spezielle Simulationen der Detektorantwort zu Myonen werden durchgeführt und bilden die Grundlage der sogenannten Zwei-Komponenten-Rekonstruktion, die darauf abzielt, den elektromagnetischen- und Myonenanteil der gemessenen Signalverteilungen zu separieren. Die Zwei-Komponenten-Rekonstruktion ermöglicht eine simultane Rekonstruktion der Primärenergie und der Myonenanzahl mit einer Auflösung von $<10\%$ bzw. $\lesssim 20\%$ bei etwa $100\,$PeV für nahezu vertikale Schauer und einer minimalen Abhängigkeit von der Masse der kosmischen Strahung und ist daher von großem Interesse für Analysen der Massenzusammensetzung der kosmischen Strahlung. In dieser Arbeit wird unter Verwendung der entwickelten Primärenergieabschätzung der GeV-Myonenanteil sowie weitere Parameter, die von der Masse der kosmischen Strahlung abhängen, in nahezu vertikalen Luftschauern im Primärenergiebereich von einigen PeV bis $100\,$PeV untersucht und mittels verschiedener hadronischer Wechselwirkungsmodelle zur Beschreibung der hochenergetischen hadronischen Wechselwirkungen in der Schauerentwicklung interpretiert. Dies umfasst sowohl moderne (post-LHC) hadronische Wechselwirkungsmodelle wie EPOS-LHC und QGSJet-II-04, die mit Daten des Large Hadron Collider (LHC) kalibriert sind, als auch das pre-LHC-Modell Sibyll 2.1.
Es wird gezeigt, dass die mittlere Massenzusammensetzung der kosmischen Strahlung, die auf Basis des mit IceTop gemessenen Myonengehalt rekonstruiert wurde, bei der Interpretation mit post-LHC-Modellen im Widerspruch zu aktuellen Modellen der Massenzusammensetzung und des astrophysikalischen Flusses steht, was, im betrachteten Primärenergie- und Zenitbereich, verglichen mit den Messdaten einen zu hohen vorhergesagten Myonengehalt suggeriert. Gleichzeitig führt das pre-LHC-Modell für einige massenabhängige Parameter zu einer vorhergesagten mittleren Zusammensetzung, die, für Primärenergien von etwa $100\,$PeV, außerhalb des physikalisch erwarteten Bereichs liegt. Daher führt keines der betrachteten hadronischen Wechselwirkungsmodelle zu einer in sich widerspruchsfreien Beschreibung der Gesamtheit der Schauerentwicklung.
Abstract (englisch):
Due to their low flux, high-energy cosmic rays entering the Earth's atmosphere are measured indirectly by means of the particle cascades (extensive air showers) that are initiated upon interaction with the atmosphere. The footprint of the cascades can be observed with ground-based detector arrays, where information about the nature of the cosmic rays is convoluted in the characteristics of the measured particle distributions. Because of its direct connection to the hadronic part of the cascade and, therefore, to the cosmic-ray mass, the muon content in air showers is one key observable. ... mehr
The IceCube Neutrino Observatory allows, in particular, measurements of air-shower muons in two different energy regimes.
While its surface instrumentation, IceTop, is sensitive to the electromagnetic and low-energy ($\sim\,$GeV) muon component of air showers, high-energy ($\gtrsim 400\,$GeV) muons can be observed with its deep in-ice detector.
In this work, the muon content in air showers measured with IceTop is analyzed using a novel likelihood-based reconstruction algorithm. Dedicated detector response simulations to muons are performed and build the basis of the two-component reconstruction, which aims to disentangle the electromagnetic and muon contribution to the measured signal distributions. The two-component reconstruction provides a simultaneous reconstruction of the primary energy and muon number with a resolution of $<10\%$ and $\lesssim 20\%$, respectively, around $100\,$PeV primary cosmic-ray energy for near-vertical showers with a minimal dependence on the cosmic-ray mass, and is therefore of general interest for cosmic-ray composition analyses. In this work, using the primary energy estimation, different cosmic-ray mass-dependent parameters as well as the muon number in near-vertical air showers are studied as a function of energy between a few PeV to $100\,$PeV and interpreted using different models for the description of the high-energy hadronic interactions in the air-shower development. This includes state-of-the-art hadronic interaction models that are tuned to data from the Large Hadron Collider (LHC), named post-LHC models like EPOS-LHC and QGSJet-II-04, and the pre-LHC model Sibyll 2.1.
It is shown that the average cosmic-ray composition obtained on the basis of the muon content measured with IceTop is in tension with modern cosmic-ray composition models when interpreted with post-LHC models, suggesting a predicted muon content that is too large compared to measured data in the considered primary energy and zenith range. At the same time, for some mass-sensitive parameters, the pre-LHC model leads to a predicted average composition that is outside the expected range for primary energies around $100\,$PeV. Therefore, none of the considered hadronic interaction models leads to a self-consistent description of the entirety of the air-shower development.
