| Autor(en): |
Stefan Klepser |
Titel: |
Reconstruction of extensive air showers and measurement of the cosmic ray energy spectrum in the range of 1 - 80 PeV at the South Pole |
| Gutachter: |
Hermann Kolanoski; Thomas K. Gaisser; Thomas Lohse |
| Erscheinungsdatum: |
21.07.2008 |
| Volltext: |
pdf
(urn:nbn:de:kobv:11-10091202)
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| Fachgebiet(e): |
Physik |
| Schlagwörter (ger): |
Kosmische Strahlung, IceCube, IceTop, Energiespektrum |
| Schlagwörter (eng): |
IceCube, IceTop, Energy Spectrum, Cosmic Rays |
| Einrichtung: |
Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I |
| Zitationshinweis: |
Klepser, Stefan:
Reconstruction of extensive air showers and measurement of the cosmic ray energy spectrum in the range of 1 - 80 PeV at the South Pole;
Dissertation,
Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I , publiziert am 21.07.2008, urn:nbn:de:kobv:11-10091202
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| Abstract (ger): |
| IceTop ist ein Detektorfeld fuer kosmische Strahlung, das
momentan am Suedpol errichtet wird. Es ist Teil des
IceCube-Observatoriums und wird nach Fertigstellung
eine Flaeche von 1km^2 ueberspannen. Es zielt auf den
Nachweis von Teilchenkaskaden ab, die von kosmischer Strahlung mit
Energien im PeV-Bereich induziert werden.
Die Dissertation
beinhaltet die erste Analyse
hochenergetischer kosmischer Strahlung mit IceTop.
Zunaechst
wird hierfuer die Lichtausbeute der Detektortanks untersucht. Dies
ermoeglicht die Erstellung einer Erwartungswertverteilung
der Schauersignale, und eines
entsprechenden Likelihood-Rekonstruktionsalgorithmus.
Die damit erreichten Aufloesungen werden untersucht und Effizienzen berechnet.
Anschliessend wird das Ansprechverhaltenn
von IceTop im Bezug auf die Energie genauer evaluiert. Aus den Ergebnissen
werden Faltungsmatrizen fuer unterschiedliche Primaerteilchensorten extrahiert.
Darauf basierend
werden zwei Entfaltungsalgorithmen vorgestellt, und vier
Faltungsmatrizen fuer verschiedene Kompositionsannahmen
berechnet. Im August 2007 genommene Daten werden in drei
Zenithwinkel-Abschnitte eingeteilt und separat mit den
Kompositionsmodellen entfaltet. Die resultierenden Spektren decken einen
Energiebereich von 1-80PeV ab.
Mit der Forderung isotropen Flusses lassen sich Wahrscheinlichkeiten
definieren, die sensitiv sind auf
die Konsistenz der Kompositionsannahmen. Diese
neue Methode ermoeglicht eine Untersuchung der Komposition ohne
Zuhilfenahme weiterer Detektorkomponenten. Die Analyse zeigt eine klare
Praeferenz der Modelle gemischter Komposition.
Schliesslich wird das Spektrum
mit der hoechsten relativen Wahrscheinlichkeit untersucht. Die
gemessenen Parameter stimmen innerhalb der
systematischen Fehler gut mit denen anderer Experimente ueberein.
Die ermittelte Position des sogenannten Knies des Spektrums ist
3,1+-0,3(stat.)+-0,3(sys.)PeV, die Exponenten davor
und danach sind -2,71+-0,07(stat.) und
-3,110+-0,014(stat.)+-0,08(sys.).
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| Abstract (eng): |
| IceTop is a square-kilometer scale detector array for highly energetic cosmic
radiation. It is a part of the IceCube Observatory that is presently being
built at the geographic South Pole. It aims
for the detection of huge particle cascades induced by PeV cosmic rays in the
atmosphere.
This thesis presents the first analysis of highly energetic cosmic ray data
taken with IceTop.
First, the light response of the IceTop tanks is
parametrised as a function of energy and particle type. An expectation function for the
distribution of shower signals in the detector plane
is developed. Based on that, a likelihood reconstruction algorithm is
developed and its resolution and performance is studied.
The resulting energy response of the array
is investigated to set up response matrices for different primary nuclei
and inclinations.
Two unfolding algorithms are implemented, and response matrices
are modeled for four different composition assumptions. With each assumption, energy spectra are unfolded for three
different bins in inclination, using a data sample taken in
August 2007. The range of the spectrum is 1-80PeV.
Finally, a new analysis method is developed that uses the fact that cosmic
rays in the PeV range are expected to be isotropic. It is shown that this requirement can be used
for a
likelihood estimation that is sensitive to composition without using additional information
from other detector components. The analysis shows a clear preference of the
mixed composition models over pure proton or iron assumption.
The spectrum with the highest likelihood shows good agreement
with results from other experiments
within the systematic uncertainties. The found position of the so-called
knee feature is 3.1+-0.3(stat.)+-0.3(sys.)PeV, the power indices before
and after that are -2.71+-0.07(stat.) and
-3.110+-0.014(stat.)+-0.08 (sys.).
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