[论文解读] Shower Studies at around 10^18 eV with the Surface Detector of the Pierre Auger Observatory

Piera Luisa Ghia, For The Pierre Auger Collaboration|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2003

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 1

一句话总结

本研究验证了利用皮埃尔·阿杰尔天文台工程阵列地表探测器在约10^18 eV能量下探测广延空气簇射的触发与重建程序。通过优化三重触发方案，单罐触发率约为2 Hz，符合时间窗为5 µs，团队实现了每日6.3 ± 0.4起的稳定事例率，与宇宙射线通量模型的预期一致，证实探测器已具备开展10^18 eV能量阈值以上高能簇射研究的能力。

ABSTRACT

Three months of data taken by the Engineering Array Surface Detector of the Pierre Auger Observatory have been analyzed with the aim of setting a procedure for the study of showers at E_0 ~ 10^18 eV. We present the results, concerning: (i) the selection procedure and the check of its efficiency; (ii) the event rate and its stability; (iii) the characteristics of such events (i.e., angular direction, energy estimator S(1000), rise time vs core distance, correlation with pressure) showing their consistency with the expectations. The performances of the whole Surface Detector of the Auger Observatory are discussed.

研究动机与目标

• 利用阿杰尔地表探测器建立在约10^18 eV能量下可靠筛选广延空气簇射的程序。
• 验证事例率的稳定性与一致性，与宇宙射线能谱理论预期相符。
• 通过与模拟数据及其他实验结果对比，验证簇射参数（能量、方向、上升时间）的重建性能。
• 为未来在10^18 eV能量范围内的全规模运行校准地表探测器性能。
• 评估探测器在该能量尺度下对各向异性和大气压变化的敏感度。

提出的方法

• 使用2002年5月至7月期间运行的32个地表探测器站（工程阵列）的数据。
• 应用三重触发方案，优化单罐触发率（ft ≈ 2 Hz）与符合时间窗（Δt ≈ 5 µs），以抑制偶然符合。
• 利用与AGASA数据相关联的WCD原型校准触发效率，并外推至10^18 eV。
• 重建包括天顶角（θ）、方位角（φ）、S(1000)估计量及与簇射核心距离相关的上升时间（t50−t10）在内的簇射参数。
• 将实测事例率与簇射参数与模拟数据及哈弗拉公园和AGASA的结果进行比较。
• 分析事例率对气压的依赖性，以验证大气修正，得出气压系数k = -0.011 ± 0.005 mbar⁻¹。

实验结果

研究问题

• RQ1 在单罐触发率较低（2 Hz）的条件下，三重触发能否有效隔离约10^18 eV能量的宇宙射线簇射，同时抑制偶然符合？
• RQ2 在考虑探测器接受度与触发效率的前提下，实测事例率是否与10^18 eV能量处宇宙射线通量的预期值一致？
• RQ3 重建的簇射参数（θ、φ、S(1000)、上升时间与核心距离的关系）是否与模拟结果及其他实验的预期一致？
• RQ4 事例率对大气压的敏感度如何？该效应是否与已知的大气修正模型一致？
• RQ5 该探测器系统能否可靠探测该能量尺度下宇宙射线通量的各向异性？

主要发现

• 实测天事例率为6.3 ± 0.4起（θ < 45°），与约10^18 eV宇宙射线簇射的预期值5 ± 1起/天一致。
• 事例率分布与泊松过程兼容（χ² = 1.5/d.f.），表明探测器在三个月内运行稳定。
• 重建的天顶角分布（均值30.9°，RMS 12.96°）与方位角分布（均值-5.585°，RMS 104.3°）与各向同性预期一致。
• S(1000)估计量分布（均值0.6833 VEM，RMS 0.288）对应于主粒子能量在0.4至0.9 × 10^18 eV之间，与当前宇宙射线能谱认知一致。
• 上升时间（t50−t10）与核心距离的关系与模拟及哈弗拉公园数据高度一致，证实探测器响应的保真度。
• 气压系数k = -0.011 ± 0.005 mbar⁻¹在2σ水平下显著，且与哈弗拉公园先前结果一致，验证了大气修正模型。