Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7389

Measurement of the proton-air cross section using hybrid data of the Pierre Auger Observatory

Ralf Matthias Ulrich

Abstract
The subject of this thesis is the measurement of the proton-air cross section at ultra high energy with hybrid data of the Pierre Auger Observatory. Based on a critical review of the shortcomings of previous air shower measurements, a new analysis method is developed. This analysis method takes into account the most important and relevant experimental and air shower physics effects. The impact of a changed cross section extrapolation on the resulting air shower development is considered in addition to its more obvious effect on the distribution of shower starting points. Furthermore, detector acceptance effects are explicitly included in the reconstruction ansatz, which allows us to use almost the complete data set in the analysis. Systematic uncertainties on the resulting cross sections are thoroughly studied and quantified. Assuming a proton dominated composition, the analysis is applied to hybrid data of the Pierre Auger Observatory. The obtained cross section is, within the statistical and systematic uncertainties, in agreement with predictions from hadronic interaction models up to 10^18.4 eV. At higher energies the resulting cross section increases rapidly. Finally the proton-air cross section is converted to a proton-proton cross section using Glauber theory and limits on the elastic scattering slope are derived.

Bestimmung des Wechselwirkungsquerschnittes von Protonen mit Luft mittels Hybrid-Daten des Pierre Auger Observatoriums

Zusammenfassung
In dieser Arbeit werden Hybrid-Daten des Pierre Auger Observatoriums verwendet, um den Wechselwirkungsquerschnitt von Protonen mit Kernen der Luft bei ultra-hoher Energie zu bestimmen. Basierend auf einer Analyse der Schwachpunkte früherer Luftschauer-Messmethoden wird ein neuer Rekonstruktionsansatz entwickelt. Dieser berücksichtigt explizit die wichtigsten experimentellen sowie physikalischen Effekte. Der Einfluss einer veränderten Extrapolation des Wechselwirkungsquerschnittes auf die Luftschauer-Entwicklung wird ebenso berücksichtigt wie der Einfluss auf die Verteilung der Luftschauer-Startpunkte. Darüber hinaus wird die Akzeptanz des Detektors direkt in der Rekonstruktionsmethode berücksichtigt, wodurch fast der komplette Datensatz für die Analyse verwendet werden kann. Systematische Unsicherheiten des resultierenden Wechselwirkungsquerschnittes werden im Detail untersucht und quantifiziert. Die Hybrid-Daten des Pierre Auger Observatoriums werden unter der Annahme einer proton-dominierten Zusammensetzung der kosmischen Strahlung analysiert. Der resultierende Wechselwirkungsquerschnitt ist, innerhalb der statistischen und systematischen Unsicherheiten, bis zu einer Energie von 10^18.4 eV mit den Vorhersagen von hadronischenWechselwirkungsmodellen kompatibel. Bei höherer Energie nehmen die resultierenden Wechselwirkungsquerschnitte jedoch sehr schnell zu. Abschliessend wird der Proton-Luft-Wechselwirkungsquerschnitt mittels der Glauber-Theorie in den Proton-Proton-Wechselwirkungsquerschnitt konvertiert und es werden Einschränkungen des Steigungsparameters der elastischen Streuung abgeleitet.

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