Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7440

Calibrated Measurements of the Radio Emission of Cosmic Ray Air Showers

Steffen Nehls

Abstract
This work investigates the properties of the radio emission of cosmic ray air showers, in particular by reconstructing the lateral distribution of the emission on an event-by-event basis. The LOPES experiment is measuring the radio emission in the frequency range 40–80 MHz in coincidence with the air shower experiment KASCADE-Grande. For the present analysis a set of data is used which was measured with east-west oriented antennas. By selecting the high energy air showers the occurring short radio pulses can be observed and the lateral distribution of the radio signal for individual showers reconstructed. Based on a performed amplitude calibration of the radio signals for each antenna the absolute value of the field strength is known. Therefore the scale parameter R₀ and the field strength ε₀ of the lateral behavior can be determined. The obtained most probable value of the scale parameter results in R₀ ≈ 125 m, and no significant dependence of this values on general shower parameters, like angle-of-incidence or primary energy could be found. A comparison of the field strength ε₀ with the value obtained by a parameterization of earlier LOPES measurements yields significant differences, whereby the field strengths determined from lateral distributions are systematically above the values of the parameterization. Using Monte Carlo simulations of the radio emission of extensive air showers, adjusted to the individual measured events by using the known individual shower parameters, direct comparisons with the measurements are performed. As a result of this, a systematically flatter lateral distribution was obtained for the measurements. In particular, measured events with large scale parameter (R₀ > 200 m) could not be reproduced by the simulations. The comparisons of the field strength at different distances with the simulations show a significant discrepancy close to the shower core. This arises from the larger scale parameters at the measurements. However, an important conclusion from the comparison of measurements with simulations results in a deviation of only ≈ 10% of the absolute values of the field strength at a distance of 75 m.

Kalibrierte Messungen der Radiostrahlung von Luftschauern der Kosmischen Strahlung

Zusammenfassung
Die vorliegende Arbeit untersucht die Eigenschaften der Radiostrahlung von Luftschauern, im Besonderen durch die Rekonstruktion der Lateralverteilung der Radiostrahlung von Schauer zu Schauer. Das LOPES Experiment misst die Radiostrahlung im Frequenzbereich von 40–80MHz im Koinzidenzbetrieb mit dem Luftschauerexperiment KASCADE-Grande. Für die präsentierte Analyse wurde ein Datensatz verwendet, der mit Ost-West orientierten Radioantennen aufgenommen wurde. Durch Auswahl der höchstenergetischen Luftschauer können die eintreffenden kurzen Radiopulse gemessen und die Lateralverteilung des Luftschauers rekonstruiert werden. Basierend auf einer Amplitudenkalibration des Radiosignals für jede Antenne können die Absolutewerte der Feldstärken bestimmt werden. Die Größen Skalenparameter R₀ und Feldstärke ε₀ können aus der Lateralverteilung ermittelt werden. Der wahrscheinlichste Wert für den Skalenparameter ergab R₀ ≈ 125 m und keine signifikanten Abhängigkeiten mit Luftschauerparametern, wie Schauerrichtung oder Primärenergie, konnten gefunden werden. Ein Vergleich der Feldstärke ε₀ mit den Werten basierend auf einer Parametrisierung von früheren LOPES Daten, zeigt wesentliche Unterschiede, wobei die Feldstärken der Lateralverteilung systematisch über denen der parametrisierten Werte liegen. Mit Hilfe von Monte Carlo Simulationen der Radiostrahlung von Luftschauern, angepasst auf die gemessenen Ereignisse durch Verwendung der individuellen Schauerparameter, kann ein direkter Vergleich mit den Messungen durchgeführt werden. Das Ergebnis dieses Vergleichs ist, dass die gemessenen Lateralverteilungen systematisch flacher sind. Im Besonderen gilt dies für die Sonderfälle mit einem sehr großen Skalenparameter (R > 200 m), die nicht durch die Simulation reproduziert werden können. Im Vergleich der Feldstärken von Messung und Simulation bei verschiedenen Abständen zeigten sich Diskrepanzen in der Vorhersage der Absolutwerte der Feldstärken für den Bereich nahe am Schauerzentrum. Dies ergibt sich als Folge der höheren Werte für den Skalenparameter. Als Ergebnis des Vergleichs ist besonders hervorzuheben, dass die Absolutwerte im Abstandsbereich von R = 75 m nur noch in der Größenordnung von ≈ 10% differieren.

VOLLTEXT

BIBLIOTHEK