Measurement of the ultra high energy cosmic ray flux using data of the Pierre Auger observatory

Bestimmung des Energiespektrums ultra-hochenergetischer kosmischer Strahlung mit Daten des Pierre-Auger-Observatoriums Das Thema dieser Arbeit ist die Bestimmung des Energiespektrums kosmischer Strahlung bei höchsten Energien unter Verwendung von Daten des Oberflächendetektors des Pierre-Auger-Observatoriums. Ein wichtiger Beitrag zu den Unsicherheiten der Messung der lateralen Verteilung von Teilchen mit dem Oberflächendetektor ist das fehlende Signal der dem Zentrum des Luftschauers am nächsten liegenden Station. Dieses Problem wird hervorgerufen durch die Sättigung der Auslese-Elektronik und den Übergang zu einem nichtlinearen Verhalten der Photovervielfacher-Antwort. Davon betroffen sind 50% der Ereignisse in dem untersuchten Energiebereich. Eine Methode zur Bestimmung dieses Signal wird entwickelt. Die Abschwächung des Signals in der Atmosphäre wird mittels der Annahme räumlich konstanten Intensität der Kosmischen Strahlung abgeleitet. Besonderer Wert wird auf die Energiekonvertierung vermittels Fluoreszenzdetektor gelegt. Dazu werden Luftschauern Daten verwendet, welche so wohl mit dem Fluoreszenz- als auch mit dem Oberflächen-Detektor gemessen wurden. Um den Effekt der Detektor-Auflösung auf den gemessenen Fluss abzuschätzen, werden realistische Simulationen der Detektorantwort durchgeführt. Die Akzeptanz des Oberflächedetektors ist nur aus Daten bestimmt und die systematischen Unsicherheiten sind mit Hilfe von Simulationen berechnet. Dies ermöglicht eine Erweiterung des Energiespektrums aus Oberflächendetektordaten zu niedrigeren Energien hin, außerhalb des Bereiches voller Trigger-Effizienz. Außer dem durch vertikale Ereignisse des Oberflächendetektors erhaltenen Energiespektrum können zwei weitere unabhängige Spektren bestimmt werden: Ein Hybridspektrum, basierend auf Luftschauern, die den Fluoreszenzdetektor und mindestenz eine Station des Oberflächendetektores getriggert haben, und ein Spektrum mit Oberflächendetektor-Ereignissen mit Zenitwinkeln größer als 60Grad. Diese Spektren werden in einem einzigen Spektrum kombiniert, das sich über den breitesten Energiebereich der aktuellen Daten des Pierre-Auger-Observatoriums erstreckt und dabei die kleinsten Unsicherheiten hat. Das daraus resultierende Spektrum wird in einen astrophysikalischen Kontext gesetzt. Die Fortsetzung des Spektrums oberhalb 40EeV als Potenzgesetz wird mit einer Signifikanz von 5.2σ verworfen. Die Anzahl der erwarteten Ereignisse für ein Potenzgesetz ist 167 ± 3 über 40EeV und 35 ± 1 über 100EeV, wobei die Daten nur je 64 Ereignisse beziehungsweise 1 Ereignis im jeweiligen Bereich enthalten

Measurement of the Ultra High Energy Cosmic Ray Flux using Data of the Pierre Auger Observatory

The main objective of this thesis is the measurement of the cosmic ray energy spectrum above \unit[1]{EeV} based on the data recorded at the Pierre Auger Observatory. The continuation of the spectrum in the form of a power law is rejected with a 5.2 sigma significance. The number of events expected if a power law holds, above 40 EeV are 167+-3 and 35+- 1 above 100 EeV whereas in the measured flux there are 64 events and 1 event

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