Determination of physical properties of high-energy hadronic interactions from the XmaxX_{\mathrm{max}}-NμN_{\mu} anticorrelation

Seit der Entdeckung der kosmischen Strahlung Anfang des 20. Jahrhunderts wurden viele Experimente entwickelt, um sie direkt oder anhand der Luftschauer zu studieren, die sie beim Eintritt in die Erdatmosphäre erzeugen. Das größte Observatorium zur Erfassung von Luftschauern ist das Pierre-Auger-Observatorium in Malargüe, Argentinien. Hier werden viele Fragen der Astro- und Teilchenphysik behandelt. Da kosmische Strahlung Energien abdeckt, die weit über denen liegen, die in künstlichen Beschleunigern erreichbar sind, stellen sie hervorragende und einzigartige Objekete dar, an denen man physikalische Eigenschaften bei höchsten Energien studieren kann. Wenn ein Luftschauer die Atmosphäre durchquert, wächst die Anzahl der in ihm enthaltenen Teilchen. Gleichzeitig nehmen ihre Energien ab. Wenn diese tief genug sind, zerfallen die Teilchen oder werden in der Atmosphäre absorbiert, was die Zahl der Teilchen wieder verringert. Dies ergibt eine Position maximaler Entwicklung $X_\mathrm{max}$. Hadronisch wechselwirkende Teilchen bringen Myonen hervor, die am Boden gemessen werden können. Diese Zahl $N_{\mu}$ zusammen mit $X_\mathrm{max}$ sind Observablen, die in Auger gemessen werden und eine aussagekräftige Antikorrelation aufweisen. In der vorliegenden Arbeit wird diese Antikorrelation studiert. Es wird ein analytisches Modell entwickelt, das diese als Funktion von Parametern wiedergibt, die die hadronische Multiplizität, den hadronischen Energieanteil und die Inelastizität der ersten Interaktion beschreiben, zusammen mit entsprechenden effektiven Parametern, die für den gesamten Schauer repräsentativ sind. Dieses Modell wird dann anhand künstlicher neuronaler Netze weiter verbessert. Hierfür werden Werte der Parameter und Observablen von Simulationen benutzt, die mit CONEX durchgeführt wurden. Das resultierende Modell hängt nicht von dem während der Simulation verwendeten Hochenergie-Wechselwirkungsmodell ab. Schließlich wird ein Modell mit reduziertem Parametersatz auf einen Datensatz von Auger angewendet. Die Verteilungen der hadronischen Multiplizität und des hadronischen Energieanteils der ersten Wechselwirkung und die der effektiven Inelastizität werden diesem Datensatz entnommen. Sie zeigen, dass die Multiplizität und der Energieanteil der ersten Wechselwirkung in aktuellen Modellen, die für Simulationen verwendet werden, im Allgemeinen zu niedrig sind

Exploiting synergies between neutrino telescopes for the next galactic core-collapse supernova

Observing and characterizing the next galactic core-collapse supernova will be a critical step for neutrino experiments. Extracting information about the supernova progenitors and neutrino properties within minutes after an observation will in particular be crucial in order to optimize analysis strategies at other observatories. Moreover, certain classes of progenitors, with strong magnetic fields, could give rise to gamma-ray bursts but have been underinvestigated to date. In this contribution we propose a strategy to combine results from next-generation neutrino experiments, focusing notably on the determination of the progenitor mass and the neutrino mass ordering. Additionally, we investigate the impact of strong magnetic fields on neutrino observations, and demonstrate the detectability of the associated effects in upcoming experiments

Combined fit to the spectrum and composition data measured by the Pierre Auger Observatory including magnetic horizon effects

The measurements by the Pierre Auger Observatory of the energy spectrum and mass composition of cosmic rays can be interpreted assuming the presence of two extragalactic source populations, one dominating the flux at energies above a few EeV and the other below. To fit the data ignoring magnetic field effects, the high-energy population needs to accelerate a mixture of nuclei with very hard spectra, at odds with the approximate E$^{-2}$ shape expected from diffusive shock acceleration. The presence of turbulent extragalactic magnetic fields in the region between the closest sources and the Earth can significantly modify the observed CR spectrum with respect to that emitted by the sources, reducing the flux of low-rigidity particles that reach the Earth. We here take into account this magnetic horizon effect in the combined fit of the spectrum and shower depth distributions, exploring the possibility that a spectrum for the high-energy population sources with a shape closer to E$^{-2}$ be able to explain the observations

A search for ultra-high-energy photons at the Pierre Auger Observatory exploiting air-shower universality

The Pierre Auger Observatory is the most sensitive detector to primary photons with energies above ∼0.2 EeV. It measures extensive air showers using a hybrid technique that combines a fluorescence detector (FD) with a ground array of particle detectors (SD). The signatures of a photon-induced air shower are a larger atmospheric depth at the shower maximum (X$_{max}$) and a steeper lateral distribution function, along with a lower number of muons with respect to the bulk of hadron-induced background. Using observables measured by the FD and SD, three photon searches in different energy bands are performed. In particular, between threshold energies of 1-10 EeV, a new analysis technique has been developed by combining the FD-based measurement of X$_{max}$ with the SD signal through a parameter related to its muon content, derived from the universality of the air showers. This technique has led to a better photon/hadron separation and, consequently, to a higher search sensitivity, resulting in a tighter upper limit than before. The outcome of this new analysis is presented here, along with previous results in the energy ranges below 1 EeV and above 10 EeV. From the data collected by the Pierre Auger Observatory in about 15 years of operation, the most stringent constraints on the fraction of photons in the cosmic flux are set over almost three decades in energy