Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6890

Contributions to the 28th International Cosmic Ray Conference, Tsukuba, Japan, 2003 by Forschungszentrum Karlsruhe, Institut für Kernphysik, Institut für Prozessdatenverarbeitung und Elektronik and Universität Karlsruhe, Institut für Experimentelle Kernphysik

Johannes Blümer, Ralph Engel, Andreas Haungs (Editors)

Abstract
This volume is a compilation of the contributions of the Forschungszentrum Karlsruhe, Institut für Kernphysik and Karlsruhe University, Institut für Experimentelle Kernphysik to the biannual International Cosmic Ray Conference 2003 (ICRC 2003). It gives an up-to-date summary of the corresponding scientific activities of the aforementioned institutes, focussing on two experiments, KASCADE-Grande and the Pierre Auger Observatory, the physics of air showers and their simulation using CORSIKA, and cosmic ray phenomenology. Many of the contributions are the product of close collaboration with other national (e.g. Siegen, Wuppertal, Bonn) and international (e.g. from Poland, Italy, Romania, Russia, Great Britain, US) universities and institutes.

KASCADE (KArlsruhe Shower Core and Array Detector) is a multi-detector set-up on the site of the Forschungszentrum Karlsruhe. The different detector systems allow the reconstruction of a large set of observables for each single event that can be used as redundant information for the analyses. The main aim of the experiment is the determination of the primary energy spectrum and mass composition of cosmic rays in the knee region, i.e. at primary energies of 100 TeV - 100 PeV. The results establish the fact that the knee is dominated by light primaries, whereas the flux of heavy primaries shows no kink in the investigated energy region. The extension of KASCADE to KASCADE-Grande for measurements of cosmic rays in the energy region of 100 PeV to 1 EeV is completed now. Results of recent analyses of KASCADE data and an overview of the capabilities of the extended detector set-up are given.

The Pierre Auger Observatory is presently being set-up in Argentina’s Mendoza Province. It will consist of a 3000 km2 array of water Cherenkov tanks and fluorescence detectors. The Auger experiment is designed to measure cosmic rays of ultra-high energies above 10 EeV to investigate the energy spectrum, type and origin of these elusive particles. The Karlsruhe research groups are mainly involved in the construction of components of the fluorescence detectors, including their electronics. Reports of the first data taken during a test run are given and underline the unique capabilities of the Auger observatory. Many contributions discuss data analysis aspects ranging from the reconstruction of lateral shower profiles over fluorescence signal calculations to various treatments of the air Cherenkov light background.

Recent additions and improvements of the CORSIKA (COsmic Ray Simulation for Kascade and Auger) simulation package are reported, in particular investigations of the extrapolation of the interaction models to energies and phase space regions beyond the reach of accelerators and the tests of its validity. Other articles discuss the development of new simulation techniques, called hybrid simulations, combining analytical with Monte Carlo methods. Hybrid techniques allow a much faster simulation of extensive air showers, which is of importance mainly for the simulation of very high primary energies.

In addition to the collaboration works of the KASCADE-Grande and Auger groups the many individual cosmic ray related contributions are also included in this volume. They cover a wide range, including first measurements of radio emission in high-energy air showers at KASCADE-Grande, results of experiments concerning cosmic rays of lower energies (CAPRICE, TRACER), and simulation studies for the atmospheric neutrino problem.

Beiträge zur 28th International Cosmic Ray Conference (ICRC), Tsukuba, Japan, 2003 des Forschungszentrums Karlsruhe, Institut für Kernphysik und Institut fürProzessdatenverarbeitung und Elektronik, und der Universität Karlsruhe, Institut für experimentelle Kernphysik

Zusammenfassung
ZUSAMMENFASSUNG

Der vorliegende Bericht fasst Beiträge zur zweijährlich stattfindenden internationalen Konferenz zur kosmischen Strahlung (ICRC 2003) zusammen, die von den herausgebenden Instituten des Forschungszentrums und der Universität Karlsruhe in enger Zusammenarbeit mit weiteren nationalen (z.B. Siegen, Wuppertal, Bonn) und internationalen (z. B. aus Polen, Italien, Rumänien, Russland, Armenien, Großbritannien, USA) Universitäten und Instituten entstanden sind. Die wissenschaftlichen Aktivitäten konzentrieren sich dabei auf den instrumentellen Status und die physikalischen Möglichkeiten der neuen Luftschauer-Experimente KASCADE-Grande und Pierre-Auger-Projekt, sowie Ergebnisse aus Analysen der Daten von KASCADE und Weiterentwicklungen des Luftschauer-Simulationsprogrammes CORSIKA. Ergänzt wird der Bericht durch eine ganze Reihe von weiteren Beiträgen zu relevanten Themenbereichen.

KASCADE (KArlsruhe Shower Core and Array Detector) ist ein Multi-Detektor Aufbau auf dem Gelände des Forschungszentrums Karlsruhe. Die unterschiedlichen Detektorsysteme erlauben die Rekonstruktion einer großen Anzahl von Observablen pro Ereignis. Das Hauptziel des Experimentes ist die Bestimmung des primären Energiespektrums und der Elementzusammensetzung der kosmischen Strahlung im Energiebereich des ‚Knie‘ (100 TeV – 100 PeV). Die Ergebnisse beweisen nun, dass das Knie durch die leichte primäre Komponente dominiert wird und das Spektrum der schweren Teilchen kein Knie im untersuchten Energiebereich aufweist. Die Erweiterung des KASCADE-Experiments zu KASCADE-Grande, um die kosmische Strahlung im Energiebereich von 100 PeV bis 1 EeV zu messen, ist nun abgeschlossen; über die Kapazitäten des Aufbaus wird berichtet.

Das Pierre-Auger-Observatorium wird momentan in Argentinien aufgebaut und besteht aus einem 3000 km2 großen Array aus Wasser-Cherenkov-Tanks und Fluoreszenzdetektoren. Das Auger-Experiment wird Herkunft und Typ der höchstenergetischsten kosmischen Teilchen über 10 EeV messen. Die Karlsruher Forschungsgruppen leisten einen signifikanten Anteil an der Konstruktion und der Elektronik der Fluoreszenzteleskope. Die Beiträge in diesem Bericht widmen sich ersten Daten-Analysen beider Detektorkomponenten sowie Untersuchungen zur Fluoreszens- und Cherenkov-Lichterzeugung in der Luftschauerentwicklung.

Über Erweiterungen und Verbesserungen des CORSIKA (COsmic Ray Simulation for Kascade and Auger) Programms wird berichtet. Speziell die Extrapolation der Physik der hadronischen Wechselwirkungen zu höchsten Energien und ihr Test ist relevant für die Auswertung der Luftschauerdaten. Berichtet wird auch über Neuentwicklungen auf dem Gebiet von Simulationsprogrammen, sogenannten Hybrid-Programmen, die durch Verbindung von analytischen und Monte-Carlo-Methoden eine wesentlich schnellere Simulation der Luftschauerentwicklung ermöglichen, was vor allem bei hohen Primärenergien an Bedeutung gewinnt.

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