[论文解读] Advanced Reconstruction Strategies for the Auger Engineering Radio Array

Qader Dorosti Hasankiadeh|arXiv (Cornell University)|May 17, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 5被引用 3

一句话总结

本文提出了一种针对Auger工程射电阵列（AERA）的先进重建策略，利用外部触发的空气簇射事件，通过射电信号测量方向、能量和质量组成。该方法在方向重建上与表面探测器的偏差小于4°，能量偏差在30%以内，并初步显示出射电推断的簇射最大深度与荧光探测器测量结果之间的相关性。

ABSTRACT

The Auger Engineering Radio Array (AERA) aims to detect extensive air showers caused by the interactions of ultra-high energy cosmic rays with the Earth's atmosphere, providing complementary information to the Auger surface, fluorescence and muon detectors. AERA, currently consisting of 124 radio stations, comprises an area of about 6 km$^{2}$. The main objective for exploiting a radio detector is to measure the fundamental air-shower parameters, such as the direction, energy and composition. We have developed reconstruction strategies and algorithms to precisely measure the air-shower parameters with high efficiency. In addition, we will present the results obtained by applying the reconstruction strategies on the experimental data taken by AERA.

研究动机与目标

• 开发针对AERA探测的广延空气簇射事件的稳健射电重建算法，最大限度减少射频干扰（RFI）的影响。
• 利用相对论性粒子级联产生的射电信号，精确重建关键空气簇射参数——方向、能量和质量组成。
• 将AERA的重建性能与皮埃尔·让天文台已建立的探测器（表面探测器和荧光探测器）进行验证。
• 探索射电波前形状对簇射最大深度的敏感性，后者是原初宇宙射线质量组成的代理指标。
• 在低统计量、低能量事件中，利用基于聚类的算法优化信号选择并抑制误报。

提出的方法

• 基于表面探测器（SD）簇射几何结构的时间窗信号搜索，以减少RFI引起的误报。
• 应用聚类算法识别具有相干信号的站点组，排除仅孤立站点出现的误报脉冲。
• 对双极化天线的电压波形应用希尔伯特变换，以重建电场矢量包络并确定场强。
• 通过将测得的电场强度除以sin(α)来校正，其中α为簇射轴与地球磁场之间的夹角，以考虑地磁辐射依赖性。
• 将射电波前建模为圆锥渐近线，以提取开口角ρ，该角度与簇射最大深度（Xmax）相关。
• 利用质子簇射的蒙特卡洛模拟（0.28–1 EeV，30°–50°天顶角）对ρ与Lmax（到簇射最大距离）之间的关系进行参数化。

实验结果

研究问题

• RQ1 对于外部触发事件，AERA能否在方向重建上与表面探测器实现小于4°的一致性？
• RQ2 在30–80 MHz带宽和地磁辐射主导的条件下，射电能量重建在多大程度上能与表面探测器的能量测量结果匹配？
• RQ3 射电波前形状（近似为圆锥）是否与簇射最大深度（Xmax）相关，从而实现质量组成的推断？
• RQ4 在低统计量事件中，基于聚类的算法在抑制RFI引起的误报脉冲方面效果如何？
• RQ5 射电波前的圆锥开口角ρ是否可被可靠地用于重建Lmax，且是否与荧光探测器测量的Xmax相关？

主要发现

• 射电方向重建在天顶角和方位角上与表面探测器重建的一致性优于4°，高能事件中仍有改进空间。
• 在100个外部触发事件的初步测试中，射电重建能量与表面探测器能量的相对差异小于30%。
• 对蒙特卡洛数据进行多项式拟合，建立了射电波前圆锥开口角ρ与到簇射最大距离（Lmax）之间的相关性。
• AERA射电波前重建的Xmax与荧光探测器测量的Xmax之间存在明显的相关性，以1:1比例线为参考。
• 波前形状与双曲形式一致，大距离处可近似为圆锥渐近线，支持其作为簇射发展过程的代理指标。
• 采用希尔伯特变换的电场包络使场强重建更加稳健，这对能量和方向估计至关重要。