Measurement of the energy spectrum of cosmic rays with the 26 station configuration of the IceTop detector

• Main Author: Kislat, Fabian
• Format: Article in Journal/Newspaper
• Language: English
• Published: Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I 2012
• Subjects: IceCube; IceTop; Energiespektrum; kosmische Strahlung; Energy Spectrum; Cosmic Rays; 530 Physik; 29 Physik, Astronomie; UN 7200; UO 9500; Signalen; South Pole; South pole
• Online Access: https://dx.doi.org/10.18452/16443; https://edoc.hu-berlin.de/handle/18452/17095

IceTop ist ein Luftschauerdetektor am geographischen Südpol und die Oberflächenkomponente des Neutrinoteleskops IceCube. Seit der Fertigstellung im Dezember 2010 besteht IceTop aus 81 Detektorstationen auf einer Fläche von einem Quadratkilometer. Die vorliegende Dissertation umfasst eine Analyse von Daten, die im Jahr 2007 mit den 26 damals installierten Stationen genommen wurden. Dazu wurden zunächst Schauerposition und -richtung und ein Maß für die Größe des Schauers aus den Signalen rekonstruiert. Der Zusammenhang zwischen Primärenergie und Schauergröße wurde aus Monte-Carlo-Simulationen bestimmt. Dabei wurde eine Annahme über die chemische Zusammensetzung der kosmischen Strahlen gemacht. Damit wurde das Spektrum der Schauergrößen entfaltet um das Energiespektrum zu bestimmen. Dies wurde getrennt für verschiedene Zenitwinkelbereiche durchgeführt. Das Resultat der Entfaltung hängt von der angenommenen Massenkomposition ab. Die Ergebnisse, der Entfaltung in verschiedenen Zenitwinkelintervallen, müssen übereinstimmen, wenn man Isotropie der komischen Strahlung voraussetzt. Es wurde bereits gezeigt, dass dies ausgenutzt werden kann, um die möglichen Annahmen über die Zusammensetzung einzugrenzen. Eine gute Übereinstimmung von Spektren aus verschiedenen Zenitwinkelbereichen wird unter der Annahme von reinen Protonen als Primärteilchen gefunden, sowie für eine Mischung aus Protonen und Eisen mit einem hohen Protonanteil bei niedrigen Energien und einer Mehrheit von Eisen bei hohen Energien. Unter diesen Annahmen ergibt sich die Position des Knies im Spektrum zu 3,97 bis 4,20PeV. Der spektrale Index unterhalb des Knies ist etwa -2,7 und oberhalb des Knies variiert er zwischen -3,08 und -3,15. Reines Eisen auf der anderen Seite kann mit sehr großer Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen werden. Unabhängig von der Annahme über die Zusammensetzung wird oberhalb von etwa 30PeV ein Abflachen des Spektrums mit einem Index von etwa -3,0 beobachtet. : IceTop is an air shower array at the geographic South Pole. It is the surface component of the IceCube neutrino telescope. Since its completion in December 2010, IceTop consists of 81 detector stations covering an area of 1km². In this dissertation, an analysis of data taken in 2007 with 26 IceTop stations operational at that time is presented. Air showers were reconstructed in order to determine the location of the shower core, their direction and the shower size. The relation between primary energy and shower size was determined from Monte Carlo simulations. An assumption was made about the chemical composition of cosmic rays. The information obtained in these simulations were then used to unfold the spectrum of measured shower sizes in order to obtain the all-particle cosmic ray energy spectrum. This was done independently for particles from three different zenith angle intervals. The result of the unfolding depends on the assumed primary composition. Due to the isotropy of cosmic rays, results obtained in different zenith angle intervals must agree. It has already been shown that this requirement can be used to constrain the range of possible assumptions on the chemical composition of primary particles. Good agreement of spectra from different zenith angle ranges has been found under the assumption of pure proton primaries, as well as for a mixture of protons and iron with a relatively large proton contribution at low energies and proton dominance at high energies. Under these assumptions the knee of the cosmic ray energy spectrum has been observed at energies between 3.97 and 4.20PeV. The spectral index below the knee is about -2.7 and varies between -3.08 and -3.15 above the knee. Pure iron as primary particles can be excluded at a high confidence level below 25PeV. Independent of the primary composition assumption a flattening of the energy spectrum with an index of about -3.0 has been observed above 30PeV.