Measurement of the ultra high energy cosmic ray flux using data of the Pierre Auger observatory

Bestimmung des Energiespektrums ultra-hochenergetischer kosmischer Strahlung mit Daten des Pierre-Auger-Observatoriums
Das Thema dieser Arbeit ist die Bestimmung des Energiespektrums kosmischer Strahlung bei höchsten Energien unter Verwendung von Daten des Oberflächendetektors des Pierre-Auger-Observatoriums. Ein wichtiger Beitrag zu den Unsicherheiten der Messung der lateralen Verteilung von Teilchen mit dem Oberflächendetektor ist das fehlende Signal der dem Zentrum des Luftschauers am nächsten liegenden Station. Dieses Problem wird hervorgerufen durch die Sättigung der Auslese-Elektronik und den Übergang zu einem nichtlinearen Verhalten der Photovervielfacher-Antwort. ... mehrDavon betroffen sind 50% der Ereignisse in dem untersuchten Energiebereich. Eine Methode zur Bestimmung dieses Signal wird entwickelt. Die Abschwächung des Signals in der Atmosphäre wird mittels der Annahme räumlich konstanten Intensität der Kosmischen Strahlung abgeleitet. Besonderer Wert wird auf die Energiekonvertierung vermittels Fluoreszenzdetektor gelegt. Dazu werden Luftschauern Daten verwendet, welche so wohl mit dem Fluoreszenz- als auch mit dem Oberflächen-Detektor gemessen wurden. Um den Effekt der Detektor-Auflösung auf den gemessenen Fluss abzuschätzen, werden realistische Simulationen der Detektorantwort durchgeführt. Die Akzeptanz des Oberflächedetektors ist nur aus Daten bestimmt und die systematischen Unsicherheiten sind mit Hilfe von Simulationen berechnet. Dies ermöglicht eine Erweiterung des Energiespektrums aus Oberflächendetektordaten zu niedrigeren Energien hin, außerhalb des Bereiches voller Trigger-Effizienz. Außer dem durch vertikale Ereignisse des Oberflächendetektors erhaltenen Energiespektrum können zwei weitere unabhängige Spektren bestimmt werden: Ein Hybridspektrum, basierend auf Luftschauern, die den Fluoreszenzdetektor und mindestenz eine Station des Oberflächendetektores getriggert haben, und ein Spektrum mit Oberflächendetektor-Ereignissen mit Zenitwinkeln größer als 60Grad. Diese Spektren werden in einem einzigen Spektrum kombiniert, das sich über den breitesten Energiebereich der aktuellen Daten des Pierre-Auger-Observatoriums erstreckt und dabei die kleinsten Unsicherheiten hat. Das daraus resultierende Spektrum wird in einen astrophysikalischen Kontext gesetzt. Die Fortsetzung des Spektrums oberhalb 40EeV als Potenzgesetz wird mit einer Signifikanz von 5.2σ verworfen. Die Anzahl der erwarteten Ereignisse für ein Potenzgesetz ist 167 ± 3 über 40EeV und 35 ± 1 über 100EeV, wobei die Daten nur je 64 Ereignisse beziehungsweise 1 Ereignis im jeweiligen Bereich enthalten.

The main objective of this thesis is the measurement of the cosmic ray energy spectrum above 1EeV based on the data recorded at the Pierre Auger Observatory. From the reconstruction of the lateral distribution of particles on ground up to the final flux determination from vertical surface detector events, all steps are investigated in detail. A contribution of the surface detector measurement to the uncertainties of the estimate of the lateral distribution of particles on ground is the missing signal of the station closest to center of the air shower. This effect is present for 30% of the events in the energy region of interest. ... mehrIt is caused by the overflow of the readout electronics and the turn over of the photomultiplier response from a linear to non-linear behavior. A method to recover the signal is developed. The attenuation of the signal in the atmosphere is deduced from a constant intensity assumption. An emphasis is put on the energy conversion obtained from the fluorescence detector measurements. A new method to deduce the energy conversion, based on coincident measurements with the fluorescence and surface detectors of the same air shower is used as a cross check. To estimate the detector resolution effect on the measured flux the detector response is obtained from realistic simulations. The acceptance of the surface detector is obtained from data only, and the systematic uncertainties are checked with simulations. This allows an extension of the energy spectrum deduced from surface detector data to lower energies below the range of full trigger efficiency. Besides the energy spectrum obtained from the vertical surface detector measurements, two other independent spectra can be estimated from the Pierre Auger Observatory using showers triggering the fluorescence detector and at least one station and inclined surface detector events. The vertical, hybrid and horizontal spectrum are combined with a novel maximum likelihood method taking into account the systematic uncertainties of each measurement. Two spectral features are observed: The ankle at E = 3.3 ± 1EeV and a flux suppression starting at E = 32.4 ± 1.1EeV. The measured spectral index changes from γ1 = 3.26 + −0.03, to γ2 = 2.65 ± 0.02 and at highest energies to γ3 = 3.9 ± 0.3. The continuation of the spectrum in the form of a power law is rejected with a 5.2 σ significance. The number of events expected if a power law holds, above 40EeV are 167 ± 3 and 35 ± 1 above 100EeV whereas in the measured flux there are 64 events and 1 event.
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