Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7380

Suche nach Anisotropie in der kosmischen Strahlung mit KASCADE-Grande

Mathias Stümpert

Zusammenfassung
Strahlung. Herkunft, Beschleunigungsmechanismen und Transport sind dabei immer noch weitgehend ungeklärt. Während es auf der theoretischen Seite eine Vielzahl an Modellen gibt, macht vor allem der bei den höchsten Energien extrem kleine Fluss die experimentelle Bestätigung dieser Modelle sehr schwierig. Neben Untersuchungen des Flussspektrums im Allgemeinen und Entfaltungsanalysen im Besonderen, stellen Anisotropiestudien die dritte Säule dar, auf der die meisten dieser Theorien aufsetzen. Im Rahmen des KASCADEGrande Experiments beschäftigt sich die vorliegende Arbeit sowohl mit klein- als auch mit großskaligen Anisotropien. Der untersuchte Energiebereich liegt dabei zwischen einigen wenigen 10¹⁶ eV bis hin zu fast 10¹⁸ eV.

Um mögliche Quellkandidaten direkt zu identifizieren, werden zwei unabhängige Signifikanzanalysen auf den gemessenen Datensatz angewandt. Die erste dieser Analysen wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit entwickelt und beschäftigt sich mit der Untersuchung eigens erstellter Flusskarten. Die zweite Analyse ist eine bewährte Methode nach Li und Ma und soll als Referenzanalyse dienen. Keines der beiden Verfahren zeigt dabei klare Anzeichen für einen signifikant erhöhten Fluss. Dennoch ergeben sich zumindest für die erste Analyse einige Regionen mit σ ≈ 4, in deren unmittelbarer Umgebung interessante Quellkandidaten zu finden sind.

Zum Thema großskalige Anisotropie werden schließlich drei Methoden zur Untersuchung eines möglichen Dipolmoments durchgeführt. Zwei dieser Methoden sind dabei zweidimensionale Analysen, die den Dipol in Rektaszension und Amplitude beziehungsweise in Deklination und Amplitude charakterisieren. Beide Methoden lassen sich kombinieren, um einen vorhandenen Dipol somit in drei Dimensionen zu rekonstruieren. Die dritte Methode ist eine echte dreidimensionale Dipolrekonstruktion. Die Ergebnisse der beiden resultierenden dreidimensionalen Analysen zeigen dabei gute Übereinstimmung und ergeben Dipolamplituden von etwa 6∙10^-2 bis hin zu 2∙10^-1. Eine Umrechnung der so erhaltenen Amplituden auf die Rayleigh-Skala lässt schließlich einen Vergleich dieser Analysen mit den Ergebnissen anderer Experimente zur Rayleigh-Methode zu.

Abschließend gibt eine Winkelkorrelationsanalyse weiteren Aufschluß über räumliche Korrelationen der 1000 höchstenergetischen bei KASCADE-Grande gemessenen Ereignisse. Aus dieser Analyse kann lediglich auf die Quellverteilung rückgeschlossen werden, nicht jedoch auf die Position der Quellen. Das Ergebnis ist dabei mit einer isotropen Quellverteilung im Einklang. Das Funktionsprinzip der Methode wird abschließend an simulierten Punktquellen demonstriert.

Search for Cosmic Ray Anisotropies with KASCADE-Grande

Abstract
One of the main fields in astroparticle physics is the investigation of cosmics rays. Their origin, acceleration and transport mechanisms are still widely unexplained. Although there are many theoretical models, their experimental confirmation is very difficult due to the extremely small flux of cosmic rays at the highest energies. Besides the investigations of the flux spectrum in general and unfolding analyses in particular, anisotropy studies represent the third pillar which most of these theories are based on. Within the KASCADE-Grande experiment, the presented thesis deals both with small-scale and large-scale anisotropies. The investigated energies thereby reach from some 10¹⁶ eV up to nearly 10¹⁸ eV.

In order to directly identify possible sources, two independent significance analyses are applied to the dataset. The first of these analyses was developed within the presented thesis and deals with the investigation of specifically generated flux maps. The second analysis is a common method by Li and Ma that should serve as a reference. None of the both methods indicates clear evidence for a significantly increased flux. Nevertheless at least for the first analysis there are regions with σ ≈ 4 with interesting source candidates in their nearby neighbourhood.

On the subject of large-scale anisotropy three methods for the investigation of a possible dipole moment are performed. Two of these methods are thereby two-dimensional analyses which characterise the dipole in right ascension and amplitude and respectively in declination and amplitude. Both methods can be combined in order to reconstruct a possible dipole in three dimensions. The third method is a real three-dimensional analysis. The results of the two resulting three-dimensional analyses show a good agreement and yield in dipole amplitudes from roughly 6∙10^-2 up to 2∙10^-1. A conversion of these amplitudes to the Rayleigh-scale results in a comparison of these analyses with results from other experiments concerning the Rayleigh-method.

Finally, an angular correlation analysis gives further information about spatial correlations of the 1000 events of highest energy. From this analysis, one can only deduce the distribution of the sources but not on their true position in the sky. The result is thereby in accordance with an isotropic source distribution. The proof of concept of this method is demonstrated with simulated point-sources.

VOLLTEXT

BIBLIOTHEK