Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6952

Untersuchungen zum primären Energiespektrum der kosmischen Strahlung im PeV–Bereichmit dem KASCADE–Experiment

Holger Ulrich

Zusammenfassung
Das Energiespektrum der kosmischen Strahlung folgt über große Bereiche einem einfachen Potenzgesetz mit einer Indexänderung im Bereich um 4 · 10¹⁵ eV. Man spricht hierbei vom Knie im Spektrum der kosmischen Strahlung. Zum Ursprung des Knies existieren eine große Anzahl von Theorien, doch wenige von ihnen konnten bisher bestätigt oder falsifiziert werden. Um eine klare Aussage machen zu können, ist es erforderlich, die Energiespektren der einzelnen Primärteilchenarten zu bestimmen. In dieser Arbeit wurde die mit dem KASCADE-Experiment gemessene korrelierte Häufigkeitsverteilung der Elektronen- und Myonenzahl ausgedehnter Luftschauer benutzt. Unter Verwendung von Entfaltungsmethoden, deren Anwendbarkeit auf die Luftschauerproblematik anhand von Simulationsrechnungen untersucht wurde, gelang es, die Flußspektren von 5 Primärteilchenarten (H, He, C, Si, Fe), als Stellvertreter verschiedener Massengruppen, zu bestimmen. Für diese Analyse wurden die zwei Hochenergiewechselwirkungsmodelle QGSJet und SIBYLL benutzt. Mit beiden Modellen war es möglich, die Einzelspektren zu entfalten. Obwohl beide Wechselwirkungsmodelle die experimentellen Daten nicht völlig konsistent beschreiben, konnten doch grundlegende, mit hoher Wahrscheinlichkeit vom Wechselwirkungsmodell unabhängige, Eigenschaften der Einzelspektren abgeleitet werden. Gleichzeitig treten die Defizite in der Beschreibung der Daten in unterschiedlichen Regionen des Meßbereichs auf, sodaß es möglich ist, die Unstimmigkeiten in den Voraussagen der Wechselwirkungsmodelle genau anzugeben.

Investigations of the primary energy spectrum of cosmic rays in the PeV region with the KASCADE experiment

Abstract
The energy spectrum of cosmic rays follows over a wide rang a simple power law with a change of the spectral index at about 4 · 10¹⁵ eV. This break is usually referred to as the knee in the spectrum of cosmic rays. There exists a large number of theories on the origin of the knee but only few of them could have been confirmed or falsified. To make a clear statement it is necessary to determine the energy spectra of individual primary particles. In this work the correlated frequency distribution of electron and muon numbers of extensive air showers measured by the KASCADE experiment was used. By application of different unfolding techniques it was possible to deconvolute the flux spectra of 5 primary particles (H, He, C, Si, Fe) representing different mass groups. The applied unfolding procedures were tested by simulations and found to be suitable for the analysis of air shower data. For this analysis the two different high energy hadronic interaction models QGSJet and SIBYLL were used. For each model it was possible to obtain the individual energy spectra. Although the description of the measured data is not fully consistent for both interaction models some basic properties of the individual energy spectra could have been derived which are probably independent of the interaction models. Additionally the shortfall of the data description occurs in different regions of the measuring range which makes it possible to specify the discrepancies of the model predictions.

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