Radio Measurements of Cosmic Rays at the South Pole

Die ultrahochenergetische kosmische Strahlung, die in der Erdatmosphäre massive Teilchenkaskaden (ausgedehnt Luftschauer) auslöst, kann am Erdboden mit Hilfe von Detektorfeldern gemessen werden. Unter den verschiedenen Detektoren, die zum Einsatz kommen, haben Radioantennen im letzten Jahrzehnt an Bedeutung gewonnen, da sie eine einzigartige Möglichkeit bieten diese Luftschauer zu untersuchen. Die Radioemission, die während der Entwicklung des Luftschauers hauptsächlich durch die Ablenkung der Elektronen und Positronen in der Teilchenkaskade durch das Erdmagnetfeld entsteht, enthält Informationen über die Art der Teilchen, die den Schauer ausgelöst haben. Insbesondere können Radioantennen zusammen mit Fluoreszenzteleskopen die Position des Maximums der Entwicklung des Luftschauers $X_\mathrm{max}$ rekonstruieren. Dieser rekonstruierte Parameter ist abhängig von der Art des primären Atomkerns der kosmischen Strahlung, die den Luftschauer ausgelöst hat. Die Kenntnis des Typs der kosmischen Strahlung wiederum trägt zu einem besseren Verständnis der Beschleunigungsprozesse astrophysikalischer Quellen in unserem Universum bei. Das IceCube Neutrino Observatorium am geografischen Südpol ist ein Mehrzweckdetektor, der sowohl astrophysikalische Neutrinos, als auch Luftschauer nachweisen kann, insbesondere mit seinem Oberflächendetektor, IceTop. Um IceTop als Detektor für kosmische Strahlung zu verbessern und die Auswirkungen der Schneeansammlung abzuschwächen, soll in den kommenden Jahren ein hybrider Dektector aus anhebbaren Szintillationsplatten und Radioantennen installiert werden. Dieser Sub-Detektor wird aus 32 Stationen bestehen, die jeweils 8 Szintillationspaneele und 3 Antennen umfassen und eine Fläche von 1 km$^2$ abdecken. Die Radioantennen nutzen mit 70 bis 350 MHz statt 30 bis 80 MHz ein höheres Frequenzband als bisher üblich. Der erste vollständige Prototyp einer Hybridstation wurde im Januar 2020 in Betrieb genommen. Diese Arbeit behandelt die Hardware der Prototyp-Station und der zukünftigen geplanten Stationen, die Inbetriebnahme der Daten der Prototyp-Station sowie eine Methode zur Energie- und $X_\text{max}$-Rekonstruktion, die auf der Grundlage gemessener Ereignisse und Monte-Carlo-Simulationen entwickelt wurde. Insbesondere wurde eine Struktur zum Anheben der Antennen über dem Schnee entworfen, gebaut, im Feld getestet und produziert, zusammen mit einer Radio-Frontend-Platine für die analoge Vorverarbeitung des von den Antennen empfangenen Signals. Die Kalibrierung der anderen Radiosignalkomponenten bei verschiedenen Temperaturen erreicht eine Amplitudenunsicherheit von nur 3,9%, was deutlich unter der geforderten Unsicherheit von 10% für die Radio-Signalkette liegt. Die Funktionsweise der Detektoren wurde durch die Analyse des Radio-Untergrunds unter Verwendung der entwickelten Radio-Datenanalysekette bestätigt. Es wurden insgesamt 121 Luftschauer nachgewiesen, von denen 5 auch durch die anderen Detektoren nachgewiesen wurden. Sechszehn Luftschauer wurden verwendet, um die erste Energie- und $X_\text{max}$-Rekonstruktionsmethode für die Radiokomponente der Detektorerweiterung zu entwickeln. Diese Rekonstruktionsmethode basiert auf dem neuesten Stand der Technik für Radio-Detektoren. Es wurde eine Analyse des Einflusses des Radio-Untergrundes auf das Signal durchgeführt. Anschließend wird die üblicherweise verwendete Methode der $\chi^2$-Minimierung durch eine Log-Likelihood-Minimierung mit einer Parametrisierung des Rauschens ersetzt, und es wird gezeigt, dass diese Technik mit den gemessenen Daten funktioniert. Darüber hinaus zeigt sich, dass bei denselben rekonstruierten Ereignissen das Hochfrequenzband mit den nur drei Antennen der Prototypstation eine deutlich bessere Genauigkeit als das traditionelle Niedrigfrequenzband aufweist. Sobald der gesamte Detektor fertiggestellt ist, wird die erwartete Rekonstruktionsgenauigkeit auf 15 g/cm$^2$ für $X_\text{max}$ und besser als 10% für die Energie geschätzt