Exploring cosmic ray origins with ground-based EAS arrays

164 Pages·2015·9.82 MB·English

by  Sergey Epimakhov

Exploring cosmic ray origins
with ground-based EAS arrays
Tunka and HiSCORE
Sergey Epimakhov

Exploring cosmic ray origins
with ground-based EAS arrays
Tunka and HiSCORE
Dissertation with the aim of achieving a doctoral degree
at the
Faculty of Mathematics, Informatics and Natural Sciences
Department of Physics
University of Hamburg
Submitted by
Sergey Epimakhov
Hamburg 2015
Gutachter der Dissertation: Prof. Dr. Dieter Horns
Dr. Vasily Prosin
Gutachter der Disputation: Prof. Dr. Gu¨nter Sigl
Prof. Dr. Caren Hagner
Dr. Martin Tluczykont
Datum der Disputation: 24.09.15
Dekan der MIN Fakulta¨t: Prof. Dr. Heinrich Graener
Dedicated to my family

Per aspera ad astra

Abstract
The main properties of cosmic radiation over the last hundred years have been
studied with good accuracy and are not in doubt: cosmic rays are nuclei of almost
all elements of the periodic table with a small fraction of other particles coming
from the outer space at Earth with the non-thermal energy spectrum from 106 to
1020eV. However, the source of cosmic rays still remains unknown. To examine
the question of the origin of cosmic rays neutral particles are perfectly suited as
messengers. Thereby the gamma ray sky in the range above 10 – 100TeV is of
great interest. Hypothetical galactic accelerators, pevatrons, must have gamma
ray spectra up to these energies.
Anewnon-imagingwide-angleCherenkovexperimentHiSCOREisaimedatsearch-
ing the ultra-high energy gamma rays above 30TeV and measuring the primary
spectrum and mass composition of cosmic rays above 100TeV with a unprece-
dented accuracy. In autumn 2013, a first 9-station engineering array has been
deployed at the site of the existing Cherenkov experiment Tunka-133 in Russia.
In this thesis, a summary of basic reconstruction techniques used in the Tunka
experimenttodateisgiven. Therecentresultshasbeenachievedintheall-particle
spectrum reconstruction and the mass composition analysis of cosmic rays in the
PeV range is shown.
The first data of HiSCORE-9 have been analysed and the array performance has
been studied. The results were complemented with Monte Carlo simulations and
the instrument potential for the detection of gamma rays has been investigated.
A new fast code CHERRY to simulate Cherenkov light in the atmosphere from
cosmicraysandgammaraysabove10TeVhasbeendeveloped. Preliminaryresults
of the Tunka-133 performance obtained with this program are discussed.
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Zusammenfassung
Die Hauptbestandteile der kosmischen Strahlung wurden in den letzten hundert
Jahren mit einer guten Genauigkeit erforscht und somit besteht kein Zweifel: Kos-
mische Strahlung, die die Erde erreicht, besteht aus den Kernen fast aller El-
emente des Periodensystems und einem kleinen Teil anderer Teilchen in einem
nicht-thermischen Energiespektrum von 106eV bis 1020eV. Ihr Ursprung bleibt
aber weiterhin unbekannt. Um eine Antwort auf die Frage nach dem Ursprung
der kosmischen Strahlung zu finden, sind neutrale Teilchen perfekt als Boten
geeignet. Von besonderem Interesse ist der Gammastrahlenhimmel ab Energien
u¨ber 1014eV (100TeV). Hypothetische galaktische Beschleuniger, so genannte Pe-
vatrone, mu¨ssten n¨amlich Gammastrahlungsspektren bis zu diesen Energien be-
sitzen.
DasneuenichtabbildendeWeitwinkel-CherenkovlichtexperimentHiSCORErichtet
sich mit einer nie dagewesenen Pra¨zision auf die Erforschung von ultrahochen-
ergetischer Gammastrahlung u¨ber 30 TeV und des Prim¨arspektrums sowie der
Massenzusammensetzung kosmischer Strahlung u¨ber 100TeV. Im Herbst 2013
wurde das erste Versuchsdetektorfeld mit neun Stationen (HiSCORE-9) auf dem
Gela¨nde des bereits existierenden Cherenkovlichtexperimentes Tunka-133 in Rus-
sland gebaut.
In dieser Arbeit wird eine grundlegende Zusammenfassung der aktuellen Schauer-
rekonstruktionsmethode des Tunka-Experiments gegeben. Die erlangten Ergeb-
nisseumfassendieRekonstruktioneinesGesamtteilchenspektrumsunddieAnalyse
der Massenzusammensetzung der kosmischen Strahlung im PeV-Energiebereich.
Die ersten Daten von HiSCORE-9 wurden analysiert und mittels der Schachbrett-
methode die Leistung des Detektorfeldes untersucht. Dies wurde mit Monte-
Carlo-Simulationen erg¨anzt und die M¨oglichkeiten zum Detektieren von Gammas-
trahlung wurden erforscht.
Ein neuer und schneller Code CHERRY zur Simulation des Cherenkovlichtes, das
in der Atmospha¨re durch kosmische Strahlung und Gammastrahlung oberhalb von
10TeVerzeugtwird, wurdeentwickelt. Vorla¨ufigeErgebnissezurDetektorleistung
von Tunka-133, die mit diesem Programm erhalten wurden, werden diskutiert.
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