Das Pierre Auger-Observatorium und die energiereichsten

Das Pierre Auger-Observatorium und die energiereichsten

Das Pierre Auger-Observatorium und die
energiereichsten kosmischen Teilchen
+60
+30
Virgo A
60
120
240
180
300
-30
Centaurus A
Fornax A
-60
| Johannes
Blümer
Projektbüro
KIT | 22 July 2007
(1) The cooperation of Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
and Universität Karlsruhe (TH)
Das Pierre Auger-Observatorium und die energiereichsten kosmischen Teilchen
Abstract:
Astroteilchenphysik ist ein relativ junges, dynamisches Forschungsfeld an den
Schnittstellen von Teilchenphysik, Astronomie/Astrophysik und Kosmologie. Im
Z e n t r u m d e s Vo r t r a g s s t e h t d a s P i e r re A u g e r- O b s e r v a t o r i u m f ü r
höchstenergetische kosmische Strahlungen. Die physikalischen Botschaften dieser
Teilchen beginnen sich - fast ein Jahrhundert nach ihrer Entdeckung - in einen breiten
Kontext einzubetten. Wir beginnen, die Quellen extragalaktischer Teilchen zu
identifizieren und stehen vor interessanten Fragen aus der Teilchenphysik bei
Energien 30x oberhalb der Energie des LHC.
neenge
ierre ger erva
r
recence eec
pe iding
Wir schlagen vor, zu Ehren von John Linsley die
Einheit
1 Linsley (L) = 1 km2 sr yr
für das Produkt aus Messfläche, Raumwinkel und
Beobachtungszeit zu verwenden
SIMULATION ON A COMPUTER
particle number particle number distance from axis SIMULATION ON A COMPUTER
particle number particle number distance from axis Cherenkov telescopes
particle detector arrays
Radio antenna
Fluorescence telescopes
HYBRID detection possible
der Greisen-Zatsepin-Kuzmin-Effekt (1964)
protons scatter with the CMB: threshold effect above 51019 eV:
p+3K (1232) p0 p or n+ pe+
distance from
source (Mpc)
Sokolsky 1989
astronomer
artist
scientist
Argentina
Australia
Bolivia
Brasil
Czech Republic
France
Germany
Italy
Mexico
Netherlands
Poland
Portugal
Slovenia
Spain
United Kingdom
USA
Vietnam
RN 40
June 16, 2008:
1660 tanks deployed
1637 with water
1603 with electronics
M
ala
rg u
e
1.5 km bet ween tanks
4 x 6 fluorescence telescopes
physics data since January 2004
“Last Friday, June 13th, at 13:00 hs, the "last" surface detector
(the one with signatures from the whole Collaboration) was filled
with water. It was put to work immediately afterwards.”
public online event display 1% of data! http://www.auger.org or go to http://augersw1.physics.utah.edu/ED/
Event 3637800
See CR incoming direction | See individual station data
Figure 2: Southern array zoomed view
Figure 1: Southern array global view
Generic Information
Id
Date
Nb Station
Energy
3637800
Sun Jul 1 15:42:38 2007
10
30.4 ± 1.5 EeV
Theta
24.6 ± 0.2 deg
Phi
11.0 ± 0.5 deg
Curvature
Core Easting
8.7 ± 0.4 km
445893 ± 27 m
Core Northing
6094828 ± 21 m
Reduced Chi 2
6.17
Figure 3: Lateral Distribution Function (LDF) fit
30 stereo events/month
(5 triple/m)
ot
D n ed
t F rat
l as c a lib
ye t
angular
resolution
aperture
energy
hybrid
SD
FD mono
0.2°
1-2°
3-5°
flat with E, A and
model free
A, model
free
A, model
dep.
dep. on E,
A,
spectral
slope,
model
A, model
free
Event 200716104390 (11.6.2007)
SD-FD energies agree very well
are there photons among UHECR ? -- Auger 2007: few %
ar
ho
GZ K p
tons
20
ay
ar r
ra
y2
ye
No
ar
w
s
ye a
rs
Abraham et al. 2007 (Auger Coll)
Energy spectrum
from SD < 60°, 5165 L
Slope = -2.62 ± 0.03
>1
01
>1 9.6
0 20
Calibration unc. 18%
FD syst. unc. 22%
13 E x p
2
30 +/- 9
+/2.5
Ob
s
51
2
Residuals from a standard spectrum
-3.30 ± 0.06
-2.62 ± 0.03
18.65
19.55
- 4.1 ± 0.4
Correlation of the Highest-Energy
Cosmic Rays with Nearby
Extragalactic Objects
GZK: hohe Energie = kurze Distanz
AGN-Katalog: kleine Rot verschiebung z = kurze Distanz
zulässige Winkelabweichung: Magnetfelder
Bemerkungen zu Statistik und Effektsuche...
Correlation of the Highest-Energy
Cosmic Rays with Nearby
Extragalactic Objects
+60
+30
Virgo A
60
120
240
180
-30
Centaurus A
Fornax A
-60
300
Correlation of the Highest-Energy
Cosmic Rays with Nearby
Extragalactic Objects
Correlation of the Highest-Energy
Cosmic Rays with Nearby
Extragalactic Objects
Correlation of the Highest-Energy
Cosmic Rays with Nearby
Extragalactic Objects
We have demonstrated the anisotropy
of the arrival directions of the highest-energy
cosmic rays and their extragalactic
origin. Our observations are consistent with
the hypothesis that the rapid decrease of flux
measured by the Pierre Auger Observatory
above 60 EeV is due to the GZK effect and
that most of the cosmic rays reaching Earth in
that energy range are protons from nearby
astrophysical sources, either AGN or other
objects with a similar spatial distribution.
es,
r
u
tic
at ial,
r
e
e
n
ag
mp otent ns,
e
m
t
to mic
me nal p ractio ut
e
e
s
b
r
pro ds, co ood re
Ext vitatio , inte ing o
fiel gborh , futu
gra sities com
s
nei cture o DM
den trino
u
str tion t ions?
neu
rela ervat
obs
s
ork s
w
n
K
GZ proto
on
s:
e
i
g
s
ner ction
e
me ntera S
e
r
Ext ticle i V CM
par 50 Te
at 4
fundamental issues of particle and astroparticle physics
The Northern P
Auger Observ
Johannes
nt describes briefly the scientific context and
lts of the Pierre Auger Observatory for ultracosmic rays. On this basis we argue for a
r Observatory in the Northern hemisphere in
A, and present a conceptual design. It is prohe Karlsruhe Institute of Technology makes a
ntribution to this multi-national effort through
entrum Karlsruhe, member of the Helmholtz
The funds should originate from the investli
f h H l h l A
i i
SOUTH
Warum Auger Nord?!
+60
+30
Quellregionen
AGN-Korrelation –>
Quellstudium
GZK
Protonen? Eisen?
Kosmische Strukturen auf
100 Mpc
Magnetfelder
Karte der Galaxie
extragalatisch: B klein
Beschleunigung
>>1020 eV schwierig
extreme phys. Beding.
UHE-Wechselwirkung
Myonen?
Reaktionsraten?
Masse und Xmax
Teilchenphysik bei 30
LHC-Energien
Virgo A
60
120
240
180
-30
Centaurus A
Fornax A
-60
300
Warum Auger Nord?!
+60
+30
Quellregionen
AGN-Korrelation –>
Quellstudium
Virgo A
60
120
240
180
300
-30
Centaurus A
Fornax A
-60
GZK
Protonen? Eisen?
Kosmische Strukturen auf
100 Mpc
Magnetfelder
Karte der Galaxie
extragalatisch: B klein
Beschleunigung
>>1020 eV schwierig
extreme phys. Beding.
UHE-Wechselwirkung
Myonen?
Reaktionsraten?
Masse und Xmax
Teilchenphysik bei 30
LHC-Energien
Nordhimmel!
Höchste Energien
Größte Statistik!
Optimales Instrument!
lg(J/(m-2s-1sr -1eV-1))
Auger-Nord Konfiguration
31018
-31
1019
21019
41019
1020
E (eV)
21020
7275
4172
2634
-32
1804
1229
824
561
-33
405
259
171
105
-34
74
31
4400 SDs
4000 SDs @ 2*1 mi = 2.3 km
19
-35
11
7
-36
1
-37
-38
18.5
19
19.5
20
E (eV)
= 20000
8000
fill the space available!
Winkelauflösung ...?
Effizienz 50% bei 1019 eV ...?
400 SDs
• 10% der Fläche dichter
belegen mit sqmi-sub-grid
• 800 mi2 = 2048 km2
• Effizienz 100% bei 1019 eV
~42 FDs in 7 Stationen
Teilchenphysik!
40 km Sichtweite
HEAT
Kalibration
310
18
-1
km2
-2.69
mi2
J/AxE
•
•
•
•
20.5
lg(E/eV)
Abstand
19
10
210
19
410
19
1
10
20
2 10
20
Auger
Hires I
0.5
0
-0.5
-1
18.5
19
19.5
20
20.5
lg(E/eV)
Colorado
option
Cheyenne
Lincoln
Kiowa
8,000 miles2
= 21,000 km2
Lamar
Bent
Prowers
Baca
49
Option including Kansas
Colorado
option
Cheyenne
Lincoln
Kiowa
8,000 miles2
= 21,000 km2
Lamar
Bent
Prowers
Baca
49
South
North
SD units 1,600
4,400
SD area 3,000 km2
20,000 km2
3 light sensors
1 light sensor
Non-insulated
Insulated
tankcenter comms
tanktank
1.5 km
1-mile
4 buildings with 6
telescopes each
7 buildings with 6
telescopes each
large stereo coverage
little stereo coverage
wireless data
communication
“tanks talk to
each other”
2 mi
communication simulation:
green = ok
also for real cosmic ray shower
measurement on smallest possible scale
these are only examples!
1.4
m
i le
s
1 mile
CO
Cheyenne
Lincoln
40 km
Kiowa
Lamar
Bent
Prowers
Baca
investigating telescope arrangement
field of view 30°, up to 40 km far (?)
complete coverage possible with
40-50 single telescopes
KA
CO
Cheyenne
Lincoln
Kiowa
Lamar
Bent
Prowers
40 km
Baca
investigating telescope arrangement
field of view 30°, up to 40 km far (?)
complete coverage possible with
40-50 single telescopes
KA
Lamar Community Center
Das Pierre Auger-Observatorium und die energiereichsten kosmischen Teilchen
Abstract:
Astroteilchenphysik ist ein relativ junges, dynamisches Forschungsfeld an den
Schnittstellen von Teilchenphysik, Astronomie/Astrophysik und Kosmologie. Im
Z e n t r u m d e s Vo r t r a g s s t e h t d a s P i e r re A u g e r- O b s e r v a t o r i u m f ü r
höchstenergetische kosmische Strahlungen. Die physikalischen Botschaften dieser
Teilchen beginnen sich - fast ein Jahrhundert nach ihrer Entdeckung - in einen breiten
Kontext einzubetten. Wir beginnen, die Quellen extragalaktischer Teilchen zu
identifizieren und stehen vor interessanten Fragen aus der Teilchenphysik bei
Energien 30x oberhalb der Energie des LHC.
Vielen Dank!