Cosmic ray showers with anomalous longitudinal profile

• Název práce v češtině: Spršky kosmického záření s anomálními podélnými profily
• Název v anglickém jazyce: Cosmic ray showers with anomalous longitudinal profile
• Klíčová slova: Observatoř Pierra Augera, spršky kosmického záření, chemické složení, anomální podélný profil, Gaisser-Hillasova funkce
• Klíčová slova anglicky: Pierre Auger Observatory, Extensive Air Showers, Chemical Composition, Anomalous Longitudinal Profile, Gaisser-Hillas Function
• Akademický rok vypsání: 2012/2013
• Typ práce: diplomová práce
• Jazyk práce: angličtina
• Ústav: Ústav částicové a jaderné fyziky (32-UCJF)
• Vedoucí / školitel: RNDr. Petr Trávníček, Ph.D.
• Řešitel: skrytý - zadáno a potvrzeno stud. odd.
• Datum přihlášení: 03.10.2012
• Datum zadání: 04.10.2012
• Datum potvrzení stud. oddělením: 19.12.2012
• Datum a čas obhajoby: 26.05.2014 00:00
• Datum odevzdání elektronické podoby: 11.04.2014
• Datum odevzdání tištěné podoby: 11.04.2014
• Datum proběhlé obhajoby: 26.05.2014
• Oponenti: prof. RNDr. Tomáš Davídek, Ph.D.
• Konzultanti: RNDr. Michael Prouza, Ph.D.

Zásady pro vypracování

1) Seznámení se s problematikou astročásticové fyziky a vývoje spršky kosmického záření v atmosféře
2) Seznámení se s Observatoří Pierra Augera
3) Simulace profilů spršek kosmického záření v atmosféře za účelem nalezení četnosti spršek se dvěma maximy
4) Identifikace možných spršek se dvěma maximy na Observatoři Pierra Augera

Seznam odborné literatury

[1] Pierre Auger Collaboration, The Fluorescence Detector of the Pierre Auger Observatory. Nucl.Instrum.Meth. A620 (2010) 227-251S.
[2] M. Longair, High Energy Astrophysics, Cambridge University Press (2002) 
[3] T. Gaisser, Cosmic Rays and Particle Physics, Cambridge University Press (1990) 
[4] C. Baus, R. Engel, T. Pierog, R. Ulrich, M. Unger. Anomalous Longitudinal Shower Profiles and Hadronic Interactions. ICRC
2011, Beijing, arXiv:1111.0504.

Předběžná náplň práce

Spršky kosmického záření s anomálním podélným profilem

Při interakci primární částice kosmického záření s atmosférou dochází ke vzniku spršky kosmického záření skládající se z elektromgnetické, mionové a hadronové komponenty. Při energiích nad 1 EeV, které v současnosti studuje Observatoř Pierra Auger v Argentině, je na 90 procent původní energie soustředěno do elektromagnetické komponenty. Proto proměřením podélného vývoje spršky například ve fluorescenčním detektoru a zahrnutím korekce menší než 10 procent můžeme například rekonstruovat energii původní částice. Podélné profily spršek se dají dobře parametrizovat tzv. Gaisserovou-Hillasovou funkcí, která s dostatečnou přesností popisuje počet částic či velikost signálu ve fluorescenčních detektorech v závislosti na atmosférické hloubce.

V některých zcela výjimečných případech může dojít k jevům, kdy vedoucí částice (leading particle) podruhé interaguje dostatečně daleko od místa první interakce a dojde vlastně ke vzniku dvou spršek kosmického záření, a to dokonce tak, že ve výsledném podélném profilu jsou na první pohled vidět dvě maxima. Výsledný profil pak jde daleko lépe popsat jako součet dvou Gaisserových-Hillasových funkcí. K podobné situaci může dojít i tehdy, kdy v první interakci získá dostatečně vysokou energii tzv. “spectator” nukleon, který pak shodou okolností zainteraguje opět dostatečně daleko od místa první interakce. V obou případech se však jedná o jevy, které jsou velmi řídké a dosud nebyly spolehlivě pozorovány.

Přestože se jedná o velice vzácný jev, jeho případné pozorování by mělo některé důležité důsledky. Především četnost spršek se dvěma maximy iniciovaných těžkými jádry je zcela zanedbatelná a pozorování spršky s dvojitým maximem by vedlo k přímému důkazu přítomnosti lehké komponenty ve spektru kosmického záření na extrémních energiích. Za druhé, vzdálenost maxim v profilu výsledné spršky je úměrná vzdálenosti dvou prvních interakcí. Relativní velikost intergrálu obou Gaisserových-Hillasových profilů je zase úměrná podílu energií spršek a tedy elasticitě první interakce. I na celkem malém vzorku anomálních spršek by tak šlo usuzovat na některé vlastnosti hadronových interakcí na extrémních energiích, např. z rozdělení vzdáleností mezi první a druhou interakcí by šlo usuzovat na inelastický účinný průřez “leading” částic vylétávajících z prvních interakcí.

Cílem diplomové práce je za použití jednodimenzionálních MC simulací (CONEX) odhadnou četnost anomálních spršek a na příkladu Observatoře Pierra Augera potom ukázat, jak by vypadala jejich analýza s ohledem na vylučování vlivu atmosféry na tvorbu anomálního fluorescenčního profilu například z důvodu přítomnosti mraků podél dráhy spršky.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

The extensive air showers are induced by interactions of primary cosmic ray particles with the atmosphere and they are composed from electromagnetic, muonic and hadronic components. At energies above 1 EeV, which are routinely detected by the Pierre Auger Observatory, more than 90 percent of the primary energy is transformed into the electromagnetic component. That is why the measurement of the longitudinal shower profile using fluorescence detectors (and correction of its integral by less than 10 percent) allows us to reconstruct the primary energy relatively precisely. Longitudinal profiles are well parametrized by Gaisser-Hillas function that describes the number of particles and signal size in fluorescence detectors as a function of atmospheric depth.

In a special and very rare case it can happen, that the leading particle interacts for the second time far from the place of the first interaction resulting to the creation of two sub-showers (one from the first interaction and the other from the second interaction). As a result two shower maxima can appear in the final longitudinal profile in this extreme case. The resulting profile can be then better parametrized as a sum of two Gaisser-Hillas functions. Similar situation can happen if the spectator nucleon of the first interaction gets enough energy and interacts again far from the first interaction point. Neither of the cases was experimentally observed and rigorously proven to exist in measured air showers.

Even if such anomalous showers with two maxima are very rare, their observation would have important consequences. First, the rate is almost zero for anomalous showers induced by heavy primary particles and thus their observation would lead to experimental proof of the presence of light component in extremely high energy cosmic rays. Second, the distance between the two shower maxima is proportional to distance of the first two interactions and the ratio of the integrals of two Gaisser-Hillas profiles is proportional to the elasticity of the first interaction. Thus even the small sample of such anomalous showers would allow us to address behavior of the hadronic interactions at extremely high energy. For example distribution of the separation of the two maxima in the longitudinal profile would be nicely related to inelastic cross-section of the leading particles originating from the first interactions.

The aim of the diploma thesis is to estimate the rate of anomalous showers using one-dimensional MC simulations (CONEX) and to demonstrate how the experimental analysis would look like in case of the Pierre Auger Observatory, especially the methods of exclusion of the influence of atmospheric conditions that create anomalous light profile in fluorescence telescopes, e.g. caused by presence of clouds along the shower direction.