Measurement of the energy spectrum of ultra-high energy cosmic rays using hybrid data of the Pierre Auger Observatory [Elektronische Ressource] / Fabian Schüssler

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.Forschungszentrum Karlsruhein der Helmholtz-GemeinschaftWissenschaftliche BerichteFZKA 7457Measurement of the EnergySpectrum of Ultra-HighEnergy Cosmic Rays usingHybrid Data of the PierreAuger ObservatoryF. SchüsslerInstitut für KernphysikMärz 2009 Forschungszentrum Karlsruhe in der Helmholtz-Gemeinschaft Wissenschaftliche Berichte FZKA 7457 Measurement of the Energy Spectrum of Ultra-High Energy Cosmic Rays using Hybrid Data of the Pierre Auger Observatory Fabian Schüssler Institut für Kernphysik Von der Fakultät für Physik der Universität Karlsruhe (TH) genehmigte Dissertation Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, Karlsruhe 2009 Für diesen Bericht behalten wir uns alle Rechte vor Forschungszentrum Karlsruhe GmbH Postfach 3640, 76021 Karlsruhe Mitglied der Hermann von Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren (HGF) ISSN 0947-8620 urn:nbn:de:0005-074570 MeasurementoftheEnergySpectrumofUltra-HighEnergyCosmicRaysusingHybridDataofthePierreAugerObservatoryZurErlangungdesakademischenGradeseinesDOKTORSDERNATURWISSENSCHAFTENvonderFakulta¨tfu¨rPhysikderUniversita¨t(TH)KarlsruhegenehmigteDISSERTATIONvonDipl.-Phys. FrankFabianSchu¨sslerausKarl-Marx-Stadt/ChemnitzTagdermu¨ndlichenPru¨fung: 7.11.2008Referent: Prof. J.Blu¨merKorreferent: Prof. G.

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Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz-Gemeinschaft
Wissenschaftliche Berichte
FZKA 7457
Measurement of the Energy
Spectrum of Ultra-High
Energy Cosmic Rays using
Hybrid Data of the Pierre
Auger Observatory
F. Schüssler
Institut für Kernphysik
März 2009 Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz-Gemeinschaft
Wissenschaftliche Berichte
FZKA 7457
Measurement of the Energy Spectrum of Ultra-
High Energy Cosmic Rays using Hybrid Data of
the Pierre Auger Observatory
Fabian Schüssler

Institut für Kernphysik



Von der Fakultät für Physik der Universität Karlsruhe (TH) genehmigte
Dissertation
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, Karlsruhe
2009






















































Für diesen Bericht behalten wir uns alle Rechte vor
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Postfach 3640, 76021 Karlsruhe
Mitglied der Hermann von Helmholtz-Gemeinschaft
Deutscher Forschungszentren (HGF)
ISSN 0947-8620
urn:nbn:de:0005-074570 MeasurementoftheEnergySpectrumof
Ultra-HighEnergyCosmicRays
usingHybridDataofthe
PierreAugerObservatory
ZurErlangungdesakademischenGradeseines
DOKTORSDERNATURWISSENSCHAFTEN
vonderFakulta¨tfu¨rPhysikderUniversita¨t(TH)
Karlsruhe
genehmigte
DISSERTATION
vonDipl.-Phys. FrankFabianSchu¨ssler
ausKarl-Marx-Stadt/Chemnitz
Tagdermu¨ndlichenPru¨fung: 7.11.2008
Referent: Prof. J.Blu¨mer
Korreferent: Prof. G.Quast Abstract
Thesubjectofthisthesisisthemeasurementoftheenergyspectrumofultra-highenergycos-
mic rays from simultaneous observation of fluorescence and surface detectorsof the Pierre
Auger Observatory. These hybrid data allow us to study a wide energy range, which in-
cludes the region were the transition between galactic and extragalactic cosmic rays is ex-
pected. Dedicated event selection criteria result in an unprecedented energy resolution of
less then 10%, which makes a precise determination of spectral features possible. To deter-
minetheexposureaccumulatedduringthefirstyearsofoperationoftheobservatory,anovel
techniquehas been developed. Basedon avery detaileddescriptionofthe datataking con-
ditionsand the statusof all partsofthe PierreAugerObservatory, atime dependentMonte
Carlosimulationhasbeenintroduced. Extensivecomparisonsensuretheexactreproduction
of actual data at all levels and time scales. The definition of an energy dependent fiducial
volume led to the removal of systematic dependencies from assumptions on the mass of
theprimary particles,thedetailsofhadronicinteractionsatultra-high energiesand thesys-
tematic uncertaintyof theenergyscale oftheobservatory. A totalsystematicuncertaintyof
6% has been derived from independentair shower measurements of the surface array and
cross-checked with different methods. Extending the nominal energy range of the Pierre
18AugerObservatorytolowerenergy,thehybridenergyspectrumabove10 eVismeasured.
18.7It shows a significant break of the power-law behavior at 10 eV. The details of this spec-
tralfeatureknownasthe’ankle’,areinterpretedinconjunctionwithmasscompositiondata
withindifferentphenomenologicalmodelsofultra-highenergycosmicrays.
Zusammenfassung
BestimmungdesEnergiespektrumultra-hochenergetischerkosmischerStrahlungmit
HybridmessungendesPierreAugerObservatoriums
Das Thema dieser Arbeit ist die Bestimmung des Energiespektrums kosmischer Strahlung
bei ho¨chsten Energien. Die dazu verwendeten Hybriddaten des Pierre Auger Observatori-
ums zeichnen sich durch eine hohe Rekonstruktionsgenauigkeitund die Abdeckung eines
¨großen Energiebereichs aus. Dieser schließt den erwarteten Ubergang von galaktischen zu
extragalaktischen Quellen der kosmischen Strahlung ein. Eine sehr gute Energieauflo¨sung
von besserals 10%, die durch eine geeigneteSelektionder Daten erzielt wurde,ermo¨glicht
dieUntersuchungderspektralenEigenschaftenindiesemfu¨rdasVersta¨ndnisderultra-hoch
energetischen kosmischen Strahlung extrem wichtigen Bereich mit hoher Pra¨zision. Zur
BestimmungderzeitintegriertenDetektorakzeptanzwurdeeinneuesVerfahreneingefu¨hrt.
BasierendaufeinerVielzahlvonDatenquellenkonntederZustandallerDetektorkomponen-
tendesPierreAugerObservatoriumseinschließlichallerzeitlichenVera¨nderungenabgeleitet
werden. DieseInformationbildetdieGrundlageneinerneuartigenMonteCarloDetektorsi-
¨mulation, die die realen Bedingungen der Datennahmen reproduziert. Die Ubereinstimm-
ung zwischen Simulation und Daten wurde ausfu¨hrlich u¨berpru¨ft. Spezielle Selektionskri-
terien ermo¨glichten die Beseitigung von systematischen Abha¨ngigkeiten des bestimmtenEnergiespektrumsvonderMassederkosmischenPrima¨rteilchen, Details derhadronischen
Wechselwirkungenbeiultra-hohenEnergienunddersystematischenUnsicherheitderEner-
gieskala des Experiments. Der Einfluss von Wolken auf Luftschauerbeobachtungenkonnte
bestimmt undbeseitigtwerden. Das Energiespektrumwurdemit einer systematischenUn-
18.7¨sicherheitvon6%bestimmt. EinesignifikanteAnderungdesspektralenVerlaufbei10 eV
konnte nachgewiesen und, zusammen mit Messungen der Massenzusammensetzung der
kosmischen Strahlung, mit verschiedenen phenomenologischen Modellen verglichen wer-
den.
Re´sume´
De´terminationduspectree´nerge´tiquedesrayonscosmiquesd’ultra-hautese´nergies
graˆceauxobservationshybridesdeL’ObservatoirePierreAuger
Le sujet de cette the`se est la mesure du spectre e´nerge´tique des rayons cosmiques de ultra
hautes e´nergies. Cette mesure est base´e sur les donne´es hybrides de l’observatoire Pierre
Augerquisecaracte´risentparunehautepre´cisiondereconstructionetpermettentd’e´tudier
unelargedomaineene´nergie,cequiinclutlatransitionattendueentrelesrayonscosmiques
de sources galactiques et extragalactiques. La tre`s bonne re´solution de l’e´nergie (< 10%)
permetl’e´tudepre´cisedesproprie´te´sspectrales.
Afindede´terminerl’expositioncumule´ependantlespremie`resanne´esdefonctionnement
del’observatoire,unenouvelletechniqueae´te´ de´veloppe´e. L’e´tatdude´tecteuretsone´volu-
tion dans le temps ont pu eˆtre de´termine´s graˆce a` une multitude de donne´es. Ces informa-
tionssontlabased’unenouvelletechniquedesimulationMonteCarlo,quireproduitlasitu-
ationexactedelaprisedesdonne´es. L’accordentrelasimulationetlesdonne´esae´te´ ve´rifie´
en de´tail. Des crite`res de se´lection permettent l’e´limination des de´pendances du spectre a`
l’incertitude syste´matique de l’e´chelle d’e´nergie, aux de´tails des interactions hadroniques
a` ultra-hautes e´nergies et a` l’hypothe`se sur la masse des particules primaires. En outre,
l’influence des nuages sur la de´tection des gerbes atmosphe´riques a pu eˆtre de´termine´e et
e´limine´e.
L’incertitude syste´matique du spectre a pu eˆtre re´duite a` 6%. Une modification signi-
ficative de l’index spectral du flux du rayonnement cosmique a e´te´ mis en e´vidence a` une
18.7e´nergie de 10 eV. En associant les de´tails de cette caracte´ristique spectrale, connu sous
≪ ≫le nom de cheville , avec des donne´es sur la composition de la masse des particules pri-
maires,diffe´rentsmode`lesphe´nome´nologiquesderayonscosmiquesdeultra-hautee´nergie
ontpueˆtreteste´s.Contents
1 Introduction 1
2 Ultra-highenergycosmicrays 3
2.1 Extensiveairshowers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.1 Phenomenologyofextensiveair showers . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.2 Detectionofextensiveair showers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2 Astroparticlephysicsatthehighestenergies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.1 Chargedparticleastronomy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.2 Primary masscomposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.3 Theenergyspectrumofcosmicrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3 ThePierreAugerObservatory 19
3.1 ThesouthernObservatory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2 Airshowerdetectionandreconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2.1 Hybrideventreconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.2.2 Calibration andsignaldetermination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2.3 ReconstructionoftheEASgeometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2.4 Energyreconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2.5 Systematicuncertaintiesoftheenergyscale . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4 TheuptimeofthePierreAugerObservatory 37
4.1 Uptimedetermination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.1.1 Pixeluptime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.1.2 Telescopesuptime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.1.3 Eyeuptime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.1.4 CDASuptime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.2 Resultsandcross-checks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.3 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5 TimedependentMonteCarlosimulations 49
5.1 Airshoweranddetectorsimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.1.1 Lightemissionandpropagationthroughtheatmosphere . . . . . . . . 515.1.2 Fluorescencedetectorresponse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.1.3 FDtriggersimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.1.4 Simulation ofthesurfacearrayresponse . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.1.5 Invisible energycorrection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.2 Validationofthe REALMC simulation andresults . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.2.1 BackgroundnoiseandFLT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.2.2 Timedependences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.2.3 Multi-eyeevents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.2.4 Detectionandreconstructionaccuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
6 ThehybridexposureofthePierreAugerObservatory 67
6.1 REALMC simulationtodeterminethehybridexposure . . . . . . . . . . . . . 69
6.2 Eventselectioncriteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
6.2.1 Quality cuts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.2.2 Fiducialvolumecuts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
6.2.3 Atmosphericconditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.3 Thehybridexposure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
6.4 Validationwithsurfacedetectordata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
7 TheUHECRenergyspectrum 83
7.1 Hybridspectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
7.2 Systematicuncertaintiesandcrosschecks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
7.2.1 Energyscale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
7.2.2 Subsampleanalysisandcross-checks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
7.3 Spectralanalysisandmodelcomparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
8 Summary 101
Bibliography 103
A Glossary 117
B Datareconstruction 119
C Atmosphericeffects 121
C.1 Clouddetection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
C.1.1 Available cloudinformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
C.1.2 Comparisonbetweendifferentcloudmeasurements . . . . . . . . . . . 122
C.1.3 Lidarmeasurementsfromdifferentstations . . . . . . . . . . . . . . . . 122
C.1.4 Lidarvs. CLF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
C.2 Comparisonbetweenreconstructedhybrideventsandcloudmeasurements . 123
C.2.1 CLFvs. hybriddata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
C.2.2 Lidarvs. hybriddata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
C.2.3 Influenceonmasscompositionmeasurements . . . . . . . . . . . . . . 125
ii