Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7231

Untersuchung der Lateralverteilung ausgedehnter Luftschauer anhand von Hybrid- und Oberflächendetektor-Daten des Pierre-Auger-Observatoriums

Talianna Schmidt

Zusammenfassung
Das Pierre-Auger-Observatorium ist ein Experiment zur Messung ultra-hochenergetischer kosmischer Strahlung mittels ausgedehnter Luftschauer. Es umfasst eine noch im Aufbau befindliche Teilchende-tektoranordnung aus 1600 Wasser-Cerenkov-Detektoren von letztlich 3000 km² Fläche sowie derzeit drei von vier Fluoreszenzdetektorstationen in der argentinischen Provinz Mendoza. Es sollen mit Hilfe dieses sowie eines weiteren gleichartigen Aufbaus auf der Nordhalbkugel das Energiespektrum und die Massenkomposition bestimmt, sowie mögliche Punktquellen der kosmischen Strahlung von Ener-gien über 10¹⁹ eV gesucht werden.

Die Rekonstruktion von ausgedehnten Luftschauern aus den Daten des Detektorfeldes umfasst als einen wichtigen Aspekt für die Bestimmung von Energie und Masse des Primärteilchens die Anpas-sung einer Lateralverteilungsfunktion an die Signale der einzelnen Detektorstationen. Die Energie wird hierbei über den Wert der Lateralverteilungsfunktion bei einer Distanz zum Schauerzentrum von 1000m bestimmt, die Steigung der Lateralverteilung ist sensitiv auf die Masse des Primärteilchens. Der Auswahl dieser Parametrisierung kommt also eine große Bedeutung in der Analyse der Daten des Detektorfeldes zu. Diese Arbeit vergleicht die Eignung verschiedener Parametrisierungen der Lateral-verteilung für die Analyse von Daten des Pierre-Auger-Observatoriums und schlägt eine geeignete Auswahl vor.

Ferner werden im Rahmen dieser Arbeit Zusammenhänge der Parameter der Lateralverteilungsfunk-tion mit nicht direkt zugänglichen Schauerdaten motiviert und eine einfache Analyse der Zusammen-hänge begonnen. Hierbei wird großer Nutzen aus der Eigenschaft des Pierre-Auger-Observatoriums als ein Hybrid-Detektor aus Teilchendetektorfeld mit Zugang zum lateralen, und aus Fluoreszenzde-tektor mit Blick auf das longitudinale Schauerprofil gezogen.

Measuring the lateral distribution of extended air showers with data from the surface detector and hybrid data of the Pierre Auger Observatory

Abstract
The Pierre-Auger-Observatory is an experiment for the detection of ultra high energy cosmic rays through extended air showers. It consists of an array of 1600 water-Cerenkov-detectors covering 3000km² and four fluorescence detector stations in the Argentinean province Mendoza. The array is not finished yet, but already taking physics data since 2004. Currently three of the four fluorescence detector stations are built. Another site with an identical layout on the northern hemisphere is planned. The experiment is built to determine the energy spectrum and the mass composition. It is also searches possible point sources of cosmic rays with energies above 10¹⁹ eV.

The reconstruction of extended air showers from the data of the array contains the fit of a lateral distribution function to the signals of the detector stations as an important step to determine the energy and mass of the primary particle energy and mass. The energy is calculated from the value of the lateral distribution function at a core distance of 1000 m, the slope of the lateral distribution is sensitive to the primary mass. Thus an adequate choice of the parameterisation is a central issue of the reconstruction. This work compares different parameterisations of the lateral distribution function for their quality describing the data taken and suggests an adequate choice.

In addition, this work motivates the possibilities to calculate parameters of the shower not directly reconstructed in the surface-detector analysis and starts an investigation of these dependencies. This is strongly supported by the possibilities of the hybrid detector system of the Pierre-Auger-Observatory, providing at the same time the lateral distribution by the array and the longitudinal profile by the fluorescence detector.

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