An empirical method to estimate the spectrum of cosmic rays with zenith angles of arrival direction ζ < 60° and energies E > 3 EeV is presented. The recorded data at the Southern Pierre Auger Observatory from January 2004 up to the end of August 2007 have been used. The Auger Observatory is a hybrid detector, which observes the air shower particles at a ground array of 1600 particle detectors (the Surface Detector) and the associated fluorescence light at 24 optical telescopes (the Fluorescence Detector) that overlook the surface array. To extract the attenuation curve, which allows the conversion from the shower size Sζ(1000) to the energy parameter S38°, and to obtain the model-independent energy calibration of the SD from FD calorimetric measurements, which follows the conversion from the signal S38° to the primary energy E, high quality golden events are used. An exact linear relation between logE and logS38° describes the golden data with energies above 3 EeV. Specifically, for any reconstructed signal Sζ(1000), the primary energy E is determined from the relation , x â ¡ (cosζ)2 â (cos38°)2 The energy spectrum is obtained from SD data, since the SD absolute acceptance for E > 3 EeV does not depend on energy and its calculation is purely geometrical. The â cleanâ SD exposure for the time interval, which has been used in the measure of the spectrum, rejecting the â badâ periods is 7000 (km2 yr sr) with an accuracy of 1%. To ensure an excellent data quality, the periods that have been affected by lightning and hardware difficulties are removed. The observed results show an evident suppression of the events above 50 EeV, which suggests a GZK cut-off scenario. From 3 EeV up to 125 EeV the energy spectrum can be described by a power-law form with a â variable spectral indexâ given by Ð (E) = 2.77 + 0.23 ε â ¡ The statistical and systematic uncertainties in the energy scale are of the order of 6% and 22%, respectively. The integrated CR energy flux per steradian (derived from SD data using showers with ζ < 60°) is (1.22 ± 0.06sta ± 0.27sys) (kmâ 2 yrâ 1) above 3 EeV, and (15.13 ± 0.79sta ± 3.31sys) (kmâ 2 centuryâ 1) above 10 EeV.

Viene presentato un metodo empirico per stimare lo spettro dei raggi cosmici con angoli di zenith delle direzioni di arrivo ζ < 60° e energie E > 3 EeV. Sono stati utilizzati dati rivelati dall' Osservatorio Pierre Auger Sud, da Gennaio 2004 fino alla fine di Agosto 2007. L' Osservatorio Auger è un rivelatore ibrido che osserva le particelle degli sciami atmosferici, tramite 1600 rivelatori di particelle disposti al suolo secondo uno schema geometrico (Rivelatore di Superficie), e la luce di fluorescenza associata, tramite 24 telescopi ottici (Rivelatore di Fluorescenza) che guardano dall' alto il Rivelatore di Superficie. La curva di attenuazione, che permette la conversione dalla " dimensione dello sciame" Sζ(1000) al "parametro dipendente dall' energia" S38°, è ottenuta, insieme con la calibrazione in energia del Rivelatore di Superficie, da misure calorimetriche del Rivelatore di Fuorescenza, indipendentemente da qualsiasi modello, con la conseguente conversione del segnale S38° all'energia primaria E, utilizzando eventi golden di alta qualità. Una relazione lineare tra logE and logS38° descrive gli eventi golden, con energie maggiori di 3 EeV. Specificatamente, per ogni segnale ricostruito Sζ(1000), l' energia primaria E è ricavata alla relazione , x â ¡ (cosζ)2 â (cos38°)2 Lo spettro d' energia è ottenuto dai dati del Rivelatore di Superficie, dato che la sua accettanza assoluta, per E > 3 EeV, non dipende dall' energia e il suo valore è puramente geometrico. L' esposizione " pulita" del Rivelatore di Superficie corrispondente all'intervallo di tempo che è stato utilizzato nella misura dello spettro, eliminando i " cattivi" periodi, è stata 7000 (km2 yr sr) con un'accuratezza del 1%. Per assicurare dati di qualità eccellente, i periodi affetti da fulmini e problemi di hardware sono stati eliminate. I risultati mostrano una evidente soppressione di eventi con E > 50 EeV, che suggerisce lâ 'effetto del taglio GZK. A partire da 3 EeV fino a 125 EeV, lo spettro d'energia può essere descritto da una " legge di potenza" con " indice spettrale variabile" dato da Ð (E) = 2.77 + 0.23 ε â ¡ Le incertezze statistica e sistematica nella scala d' energia sono dell' ordine del 6% e 22%, rispettivamente. Il flusso integrato d' energia per steradiante è (1.22 ± 0.06sta ± 0.27sys) (kmâ 2 yrâ 1) sopra 3 EeV e (15.13 ± 0.79sta ± 3.31sys) (kmâ 2 secoloâ 1) sopra 10 EeV.

Strazzeri, E. (2008). Energy calibration and ultra-high energy cosmic ray spectrum at the Southern Pierre Auger Observatory.

Energy calibration and ultra-high energy cosmic ray spectrum at the Southern Pierre Auger Observatory

STRAZZERI, ELISABETTA
2008-02-26

Abstract

Viene presentato un metodo empirico per stimare lo spettro dei raggi cosmici con angoli di zenith delle direzioni di arrivo ζ < 60° e energie E > 3 EeV. Sono stati utilizzati dati rivelati dall' Osservatorio Pierre Auger Sud, da Gennaio 2004 fino alla fine di Agosto 2007. L' Osservatorio Auger è un rivelatore ibrido che osserva le particelle degli sciami atmosferici, tramite 1600 rivelatori di particelle disposti al suolo secondo uno schema geometrico (Rivelatore di Superficie), e la luce di fluorescenza associata, tramite 24 telescopi ottici (Rivelatore di Fluorescenza) che guardano dall' alto il Rivelatore di Superficie. La curva di attenuazione, che permette la conversione dalla " dimensione dello sciame" Sζ(1000) al "parametro dipendente dall' energia" S38°, è ottenuta, insieme con la calibrazione in energia del Rivelatore di Superficie, da misure calorimetriche del Rivelatore di Fuorescenza, indipendentemente da qualsiasi modello, con la conseguente conversione del segnale S38° all'energia primaria E, utilizzando eventi golden di alta qualità. Una relazione lineare tra logE and logS38° descrive gli eventi golden, con energie maggiori di 3 EeV. Specificatamente, per ogni segnale ricostruito Sζ(1000), l' energia primaria E è ricavata alla relazione , x â ¡ (cosζ)2 â (cos38°)2 Lo spettro d' energia è ottenuto dai dati del Rivelatore di Superficie, dato che la sua accettanza assoluta, per E > 3 EeV, non dipende dall' energia e il suo valore è puramente geometrico. L' esposizione " pulita" del Rivelatore di Superficie corrispondente all'intervallo di tempo che è stato utilizzato nella misura dello spettro, eliminando i " cattivi" periodi, è stata 7000 (km2 yr sr) con un'accuratezza del 1%. Per assicurare dati di qualità eccellente, i periodi affetti da fulmini e problemi di hardware sono stati eliminate. I risultati mostrano una evidente soppressione di eventi con E > 50 EeV, che suggerisce lâ 'effetto del taglio GZK. A partire da 3 EeV fino a 125 EeV, lo spettro d'energia può essere descritto da una " legge di potenza" con " indice spettrale variabile" dato da Ð (E) = 2.77 + 0.23 ε â ¡ Le incertezze statistica e sistematica nella scala d' energia sono dell' ordine del 6% e 22%, rispettivamente. Il flusso integrato d' energia per steradiante è (1.22 ± 0.06sta ± 0.27sys) (kmâ 2 yrâ 1) sopra 3 EeV e (15.13 ± 0.79sta ± 3.31sys) (kmâ 2 secoloâ 1) sopra 10 EeV.
A.A. 2007/2008
Fisica
20.
An empirical method to estimate the spectrum of cosmic rays with zenith angles of arrival direction ζ < 60° and energies E > 3 EeV is presented. The recorded data at the Southern Pierre Auger Observatory from January 2004 up to the end of August 2007 have been used. The Auger Observatory is a hybrid detector, which observes the air shower particles at a ground array of 1600 particle detectors (the Surface Detector) and the associated fluorescence light at 24 optical telescopes (the Fluorescence Detector) that overlook the surface array. To extract the attenuation curve, which allows the conversion from the shower size Sζ(1000) to the energy parameter S38°, and to obtain the model-independent energy calibration of the SD from FD calorimetric measurements, which follows the conversion from the signal S38° to the primary energy E, high quality golden events are used. An exact linear relation between logE and logS38° describes the golden data with energies above 3 EeV. Specifically, for any reconstructed signal Sζ(1000), the primary energy E is determined from the relation , x â ¡ (cosζ)2 â (cos38°)2 The energy spectrum is obtained from SD data, since the SD absolute acceptance for E > 3 EeV does not depend on energy and its calculation is purely geometrical. The â cleanâ SD exposure for the time interval, which has been used in the measure of the spectrum, rejecting the â badâ periods is 7000 (km2 yr sr) with an accuracy of 1%. To ensure an excellent data quality, the periods that have been affected by lightning and hardware difficulties are removed. The observed results show an evident suppression of the events above 50 EeV, which suggests a GZK cut-off scenario. From 3 EeV up to 125 EeV the energy spectrum can be described by a power-law form with a â variable spectral indexâ given by Ð (E) = 2.77 + 0.23 ε â ¡ The statistical and systematic uncertainties in the energy scale are of the order of 6% and 22%, respectively. The integrated CR energy flux per steradian (derived from SD data using showers with ζ < 60°) is (1.22 ± 0.06sta ± 0.27sys) (kmâ 2 yrâ 1) above 3 EeV, and (15.13 ± 0.79sta ± 3.31sys) (kmâ 2 centuryâ 1) above 10 EeV.
raggi cosmici; curva di attenuazione; spettro di energia; calibrazione dell'energia; eventi ibridi
Settore FIS/05 - Astronomia e Astrofisica
English
Tesi di dottorato
Strazzeri, E. (2008). Energy calibration and ultra-high energy cosmic ray spectrum at the Southern Pierre Auger Observatory.
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