Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6015

Untersuchung der hadronischen Komponente ausgedehnter Luftschauer und Bestimmung der Elementzusammensetzung der kosmischen Strahlung

Zusammenfassung

Das 320 m² große Hadronkalorimeter des Experimentes KASCADE erlaubt den Nachweis und die Trennung einzelner Hadronen im Kern ausgedehnter Luftschauer, sowie die Bestimmung ihrer Energie, Richtung und Auftrefforte. Zusammen mit dem 200 x 200 m² großen Szintillatorarray des Experimentes können damit die hadronische, elektromagnetische und myonische Komponente von Luftschauern gleichzeitig gemessen werden. Es wurden Luftschauer im Energiebereich von 0.1 bis 40 PeV untersucht, wobei unterschiedliche hadronische Observablen Verwendung fanden. Die Ereignisse wurden in Intervalle der Schauergröße der hadronischen, der myonischen und der elektromagnetischen Komponente eingeteilt. Zum Test der im Luftschauersimulationsprogramm CORSIKA implementierten hochenergetischen hadronischen Wechselwirkungsmodelle wurden die gemessenen und simulierten Verteilungen der Observablen miteinander verglichen. Das Modell QGSJET beschreibt die Daten sehr gut. Beim Modell VENUS ergeben sich bei der Klassifizierung der Schauer nach der Elektronenzahl systematische Abweichungen zwischen Simulation und Messung, insgesamt zeigt sich aber eine befriedigende Übereinstimmung. SIBYLL zeigt bei Korellation mit der myonischen Schauergröße große systematische Abweichungen. Im Energiebereich von 0.2 bis 40 PeV konnte zum ersten mal das Schauergrößenspektrum der hadronischen Komponente vermessen werden. Dabei zeigt sich bei einer Energie von 3 bis 4 PeV ein Abknicken des Spektrums. Die Spektralindizes wurden zu g ₁=2.72 ± 0.04_stat ± 0.14_syst unterhalb und g ₂=3.02 ± 0.09_stat ± 0.16_syst oberhalb des "Knies" bestimmt. Die Elementzusammensetzung der kosmischen Strahlung konnte erstmals unter Verwendung der hadronischen Komponente ausgedehnter Luftschauer untersucht werden. Dabei zeigen alle Observablen mit zunehmender Energie einen einheitlichen Trend zu einer schwereren Zusammensetzung.

Investigation of the hadronic component of extensive air showers and determination of the cosmic ray mass composition

Abstract

The 320 m² hadron calorimeter of the experiment KASCADE allows to prove and to separate single hadrons in the core of extensive air showers. In coincidence with the 200 x 200 m² scintillator array, the hadronic, electromagnetic and muonic components of extensive air showers can be measured simultaneously. Showers in the energy range from 0.1 to 40 PeV have been investigated using different hadronic observables. The events have been classified according to the shower size of the hadronic, muonic and electromagnetic component. In order to test three high energy hadronic interaction models as implemented in the CORSIKA air shower simulation program, measured and simulated observables are compared to each other. The model QGSJET describes the data well. The model VENUS systematically produces deviations between the measurements and simulations if the showers are classified according to the number of electrons, but in total it shows a satisfying agreement. For SIBYLL there are large systematical differences when correlated with the muonic shower size. In the energy range from 0.2 to 40 PeV, the hadronic shower size spectrum has been measured for the first time. A "knee" is observed at an energy of 3 to 4 PeV. The spectral indices are determined to g ₁=2.72 ± 0.04_stat ± 0.14_syst below and g ₂=3.02 ± 0.09_stat ± 0.16_syst above the "knee". The cosmic ray mass composition is investigated for the first time using the hadronic component of extensive air showers. With rising energy, a trend to a heavier composition is been observed within all observables examined.