The low-energy extension of the Surface Detector Array of the Pierre Auger Observatory

Der Nachweis des Energiespektrums der kosmischen Strahlung mit Oberflächendetektoren erstreckt sich über sechs Größenordnungen der Energie, von $10^{15}$~eV bis zu mehr als $10^{20}$~eV. Es folgt einem Potenzgesetz mit einem Spektralindex $\gamma \simeq 3$ und weist fünf Merkmale auf, die durch kleine Abweichungen im Spektralindex gekennzeichnet sind: das Knie, das zweite Knie oder Eisenknie, der Knöchel, der ``Instep\u27\u27 und eine Unterdrückung bei den höchsten Energien. Insbesondere das zweite Knie wurde bei $\sim10^{17}$~eV von mehreren Observatorien als Versteilerung des Spektrums beobachtet. Seine Deutung könnte mit der maximalen Energie der Beschleunigungsorte in der Galaxie zusammenhängen, da bei diesen Energien eine allmähliche schwerere Zusammensetzung beobachtet wurde, die den sogenannten Peters-Zyklen entspricht. Die astrophysikalische Interpretation der gewonnenen Daten ist immer noch heikel, vor allem weil die Art der Quellen, die Ausbreitungseffekte und die Zusammensetzung der kosmischen Strahlung stark miteinander verwoben sind. Ein genaueres Verständnis des Ursprungs des zweiten Knies könnte möglich sein, wenn ein Observatorium in der Lage ist, alle spektralen Merkmale und die Massenzusammensetzung der kosmischen Strahlung mit einer gemeinsamen Energieskala zu messen. Das Pierre-Auger-Observatorium im Westen Argentiniens ist das weltweit größte Observatorium für kosmische Strahlung. Ursprünglich wurde es gebaut, um den kosmischen Strahlungsfluss oberhalb von $10^{18.5}$~eV zu untersuchen, doch mehrere Erweiterungen haben diese Energieschwelle gesenkt. Eine dieser Erweiterungen wird in dieser Arbeit vorgestellt. Um eine wirkliche Interpretation des zweiten Knies zu erreichen, hat das Pierre-Auger-Observatorium seinen Oberflächendetektor um eine dreieckige Anordnung von Wasser-Cherenkov-Detektoren mit einem Abstand von 433~m erweitert, um den Spektralbereich unterhalb von $10^{17}$~eV zu enthüllen. Unsere Kollaboration hat bereits erste Hinweise auf das zweite Knie aus den Daten des 750-Meter-Oberflächendetektors und aus Messungen des Cherenkov-Lichts mit dem Fluoreszenzdetektor gemeldet. Daher wird diese Erweiterung zum ersten Mal die Messung der drei Spektrumsmerkmale im höchsten Energiebereich nicht nur durch ein einziges Observatorium, sondern mit der gleichen Detektionstechnik ermöglichen. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Erweiterung des mit dem Oberflächendetektor des Pierre-Auger-Observatoriums gemessenen Energiespektrums bis hinunter zu Energien von $10^{16,5}$~eV. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde eine Reihe von Analyseschritten durchgeführt. Zur Charakterisierung der Fähigkeiten des Arrays, Luftschauer aufzuspüren und zu beproben, wurden Studien mit simulierten Schauern durchgeführt, um Trigger-Effizienz-Kurven zu erhalten. Diese Kurven sind ein wesentlicher Bestandteil der Definition der effektiven Exposition des Arrays und der entscheidende Schritt auf dem Weg zu einem endgültigen Energiespektrum. Der Einsatz des dichteren Arrays erforderte die Optimierung, Erweiterung und Verbesserung des Prozesses zur Ereignisrekonstruktion, der auf einer bereits im Rahmen von Offline existierenden Grundrekonstruktion basiert. Daher beinhaltet diese Arbeit eine umfassende Aktualisierung der Rekonstruktionsmethoden, die zur Abschätzung der Flugbahn und Energie eines kosmischen Strahls unter Verwendung des neuen Oberflächendetektor-Arrays. Die Aktualisierung wurde motiviert durch die Einbeziehung eines neuen Satzes von Detektoren und durch die Produktion eines völlig neuen Datensatzes. Die Standardrekonstruktion von Luftschauern basiert auf einer empirischen Beschreibung der der gesamten lateralen Verteilung von Sekundärteilchen am Boden. Für jedes Ereignis wird die die erwartete Schauergröße in einem bestimmten Abstand zum Schauerkern ein robuster Estimator für die Primärenergie. Der nominell optimale Abstand ist der Abstand zum Kern, bei dem die fehlende Kenntnis der seitlichen Verteilung der Schauer den geringsten Einfluss auf die Schätzung der Schauergröße hat, was bedeutet, dass bei diesem Referenzabstand die Verzerrung des rekonstruierten Signals minimal ist. Der seitliche Abfall des deponierten Signals mit zunehmendem Abstand zur Schauerachse in der Schauer-Ebene wird mit einer lateralen Verteilungsfunktion modelliert, deren Steigung als Funktion der Schauerbeobachtungsgrößen parametrisiert wird, insbesondere der Zenitwinkel und die Schätzung der Primärenergiemessung im optimalen Abstand. Sowohl die laterale Verteilungsfunktion, die zur Anpassung der beobachteten Signale als Funktion der Entfernung von der zentralen Achse eines Luftschauers verwendet wird, als auch der optimale Abstand hängen stark vom Abstand zwischen den Stationen ab. Daher haben wir für das 433 Meter dichte Array den Referenzabstand und den Parametersatz für ein optimiertes Anpassungsverfahren aktualisiert, wobei wir auch von dem neuen verfügbaren Datensatz profitierten. Die seitliche Verteilung ist besonders wichtig, da sie verwendet wird, um das erwartete Signal in einem festen Referenzabstand von der Achse zu finden, um die Primärenergie zu schätzen. Die stark von der Schauerneigung abhängige Energieschätzung Neigung abhängt, wird mit der Constant Intensity Cut-Methode korrigiert, um einen vom Zenitwinkel unabhängigen Energieschätzer zu erhalten. Wir haben festgestellt, dass das 433-Meter-Array, das im Mai 2019 fertiggestellt wurde, kosmische Strahlung mit voller Effizienz ab $3\times$10$^{16}$~{eV} beobachtet und damit die Energie, bei der das zweite Knie im Spektrum beobachtet wurde, in den Erfassungsbereich bringt. Infolge der erhöhten Empfindlichkeit für Schauer niedrigerer Energie war es möglich, den kosmischen Strahlungsfluss bis hinunter zu Energien zu messen, die eine halbe Größenordnung niedriger sind als dies zuvor mit dem Oberflächenarray möglich war. Wir haben ein Energiespektrum der kosmischen Strahlung mit Hilfe des 433 Meter langen Oberflächendetektor-Arrays des Pierre-Auger-Observatoriums erstellt. Das dargestellte Spektrum zeigt einen Knick um $\sim 10^{17}$~{eV}, wo der Spektralindex des ansonsten monotonen Potenzspektrums seinen Wert ändert, was das Vorhandensein des zweiten Kniespektrums bestätigt. Dieses Merkmal ist wichtig als Signatur für die Änderung des Ursprungs und/oder der Arten der ankommenden kosmischen Strahlung. Wir haben das resultierende Energiespektrum mit den Ergebnissen anderer Experimente verglichen. Die hier vorgelegte Studie legt den Grundstein für zukünftige Messungen im Energiebereich bis hinunter zu $10^{16}$~eV mit einem Oberflächendetektor und erweitert damit den wissenschaftlichen Output des Auger Observatoriums

An Indication of Anisotropy in Arrival Directions of Ultra-high-energy Cosmic Rays through Comparison to the Flux Pattern of Extragalactic Gamma-Ray Sources

A new analysis of the data set from the Pierre Auger Observatory provides evidence for anisotropy in the arrivaldirections of ultra-high-energy cosmic rays on an intermediate angular scale, which is indicative of excess arrivalsfrom strong, nearby sources. The data consist of 5514 events above 20 EeV with zenith angles up to 80°recordedbefore 2017 April 30. Sky models have been created for two distinct populations of extragalactic gamma-rayemitters: active galactic nuclei from the second catalog of hard Fermi-LAT sources (2FHL) and starburst galaxiesfrom a sample that was examined with Fermi-LAT. Flux-limited samples, which include all types of galaxies fromthe Swift-BAT and 2MASS surveys, have been investigated for comparison. The sky model of cosmic-ray densityconstructed using each catalog has two free parameters, the fraction of events correlating with astrophysicalobjects, and an angular scale characterizing the clustering of cosmic rays around extragalactic sources. Amaximum-likelihood ratio test is used to evaluate the best values of these parameters and to quantify the strength ofeach model by contrast with isotropy. It is found that the starburst model fits the data better than the hypothesis ofisotropy with a statistical significance of 4.0σ, the highest value of the test statistic being for energies above39 EeV. The three alternative models are favored against isotropy with 2.7σ?3.2σ significance. The origin of theindicated deviation from isotropy is examined and prospects for more sensitive future studies are discussed.Fil: Aab, A.. Radboud University Nijmegen; Países BajosFil: Allekotte, Ingomar. Centro Atómico Bariloche and Instituto Balseiro; ArgentinaFil: Almela, Daniel Alejandro. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; ArgentinaFil: Andrada, B.. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; ArgentinaFil: Bertou, Xavier Pierre Louis. Centro Atómico Bariloche and Instituto Balseiro; ArgentinaFil: Botti, Ana Martina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; ArgentinaFil: Cancio, A.. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; ArgentinaFil: Contreras, F.. Observatorio Pierre Auger; ArgentinaFil: Etchegoyen, Alberto. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; ArgentinaFil: Figueira, Juan Manuel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; ArgentinaFil: Fuster, Alan Ezequiel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; ArgentinaFil: Golup, Geraldina Tamara. Centro Atómico Bariloche and Instituto Balseiro; ArgentinaFil: Gómez Berisso, M.. Centro Atómico Bariloche and Instituto Balseiro; ArgentinaFil: Gómez Vitale, P. F.. Pierre Auger Observatory; ArgentinaFil: González, N.. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; ArgentinaFil: Hampel, Matias Rolf. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; ArgentinaFil: Hansen, Patricia Maria. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Física La Plata. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ciencias Exactas. Instituto de Física La Plata; ArgentinaFil: Harari, Diego Dario. Centro Atómico Bariloche and Instituto Balseiro; ArgentinaFil: Holt, E.. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; ArgentinaFil: Hulsman, Johannes. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; ArgentinaFil: Josebachuili Ogando, Mariela Gisele. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; ArgentinaFil: Kleinfeller, J.. Pierre Auger Observatory; ArgentinaFil: Lucero, A.. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; ArgentinaFil: Mollerach, Maria Silvia. Centro Atómico Bariloche and Instituto Balseiro; ArgentinaFil: Melo, Diego Gabriel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; ArgentinaFil: Müller, Ana Laura. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; ArgentinaFil: Naranjo, I.. Centro Atómico Bariloche and Instituto Balseiro; ArgentinaFil: Roulet, Esteban. Centro Atómico Bariloche and Instituto Balseiro; ArgentinaFil: Rodriguez Rojo, J.. Pierre Auger Observatory; ArgentinaFil: Sánchez, F.. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; ArgentinaFil: Santos, E.. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; ArgentinaFil: Sarmiento Cano, Christian Andres. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; ArgentinaFil: Schmidt, D.. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; ArgentinaFil: Sciutto, Sergio Juan. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Física La Plata. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ciencias Exactas. Instituto de Física La Plata; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Física La Plata. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ciencias Exactas. Instituto de Física La Plata; ArgentinaFil: Silli, Gaia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; ArgentinaFil: Suarez, F.. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; ArgentinaFil: Taborda Pulgarin, Oscar Alejandro. Centro Atómico Bariloche and Instituto Balseiro; ArgentinaFil: Wainberg, Oscar Isaac. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; ArgentinaFil: Wundheiler, Brian. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; ArgentinaFil: Yushkov, Alexey. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; ArgentinaFil: The Pierre Auger Collaboration. Pierre Auger Observatory; Argentin

The dynamic range of the upgraded surface-detector stations of AugerPrime

The detection of ultra-high-energy cosmic rays by means of giant detector arrays is often limited by the saturation of the recorded signals near the impact point of the shower core at the ground, where the particle density dramatically increases. The saturation affects in particular the highest energy events, worsening the systematic uncertainties in the reconstruction of the shower characteristics. The upgrade of the Pierre Auger Observatory, called AugerPrime, includes the installation of an 1-inch Small PhotoMultiplier Tube (SPMT) inside each water-Cherenkov station (WCD) of the surface detector array. The SPMT allows an unambiguous measurement of signals down to about 250m from the shower core, thus reducing the number of events featuring a saturated station to a negligible level. In addition, a 3.8m2 plastic scintillator (Scintillator Surface Detector, SSD) is installed on top of each WCD. The SSD is designed to match the WCD (with SPMT) dynamic range, providing a complementary measurement of the shower components up to the highest energies. In this work, the design and performances of the upgraded AugerPrime surface-detector stations in the extended dynamic range are described, highlighting the accuracy of the measurements. A first analysis employing the unsaturated signals in the event reconstruction is also presented

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