El Observatorio de Rayos Cósmicos Pierre Auger

El Observatorio de Rayos Cósmicos
Pierre Auger
Fernando Arqueros Martínez
Departamento de Física Atómica, Molecular y Nuclear
Facultad de Ciencias Físicas
Universidad Complutense de Madrid
Indice
• Introducción
• El Observatorio Pierre Auger
• Resultados preliminares
F. Arqueros - Workshop ASTROCAM 2006
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Introducción
El grupo AUGER - UCM
El grupo AUGER de la UCM está financiado por el Ministerio de
Educación y Ciencia:
FPA 03-8733 C-02-01 (coordinado por la UCM)
2004 – 2006
FPA 06-12184 C-02-01 (coordinado por la UCM)
2007 – 2009
Informado favorablemente
F. Arqueros - Workshop ASTROCAM 2006
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Introducción
El grupo AUGER - UCM
Fernando Arqueros Martínez
Francisco Blanco Ramos
Montserrat Ortiz Ramis
Diego García Pinto
(Becario predoctoral UCM)
Jaime Rosado Vélez
(Becario predoctoral proyecto)
Maria Monasor Denia*
(Becaria predoctoral UAH)
Germán Ros Magán*
(Becario predoctoral UAH)
* co-dirigidos UAH - UCM
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El proyecto Auger
El proyecto Pierre Auger es una colaboración internacional (17 países)
para la construcción del mayor detector de rayos cósmicos.
Objetivo: Estudiar las propiedades de la radiación cósmica de ultra-alta
energía (> 1018 eV)
Directores del proyecto AUGER:
ƒ James Cronin*
(U. de Chicago)
ƒ Alan Watson
(U. de Leeds)
ƒ Giorgio Matthiae (U. de Roma II)
* Premio Nobel de Física (1980)
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Interés científico
• Greisen y, Zatsepin y Kuz’min (1966):
La radiación de fondo (CMBR) hace opaco al Universo para los rayos
cósmicos RC de ultra-alta energía.
γ p → ∆+ → π0 p
longitud de atenuación < 50 Mpc para Ep > 1020 eV
Implicaciones:
a) Rayos cósmicos universales ⇒ corte GZK en el espectro de energía a
E ≈ 5×1019 eV.
b) RC con E > EGZK proviene de fuentes cosmológicamente próximas ⇒
campo magnético insuficiente para desviar la partícula ⇒ localización
de fuentes ⇒ astronomía de rayos cósmicos??
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Rayos cósmicos de UHE
• John Linsley detecta por vez primera en 1962 un rayo cósmico de
energía ≈ 1020 eV.
• AGASA, empleando un array de detectores en el suelo, mide un
espectro de energía que va más allá del corte GZK y evidencias de
anisotropía alrededor del centro galáctico.
• HiRes, empleando la técnica de fluorescencia encuentra resultados
contradictorios con AGASA.
Baja estadística. Técnicas distintas
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Fuentes de RC de ultra-alta energía I
Teorías bottom-up:
Escenarios astrofísicos
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Fuentes de RC de ultra-alta energía II
Teorías exóticas:
Modelos top-down
Desintegración de partículas supermasivas (E>1021 eV).
Defectos topológicos: monopolos magnéticos, cuerdas, etc..
• Evitan el corte GZK
• Intenso flujo de fotones UHE.
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Pierre Auger
En 1938 Pierre Auger descubrió las
cascadas extensas registrando por
primera vez (en Jungfraujoch)
coincidencias entre detectores
alejados hasta 75 m.
+
π−
0
π
+
π−
γ
γ
e+
+−
π
νµ
+
π
µ−
e+
γ
+
νµ
µ−
γ
γ
+
+
e
+
π−
νµ
e−
+
µ−
+
µ−
νε
e
γ
0
+
π−
γ
π
+
γ
π
γ
γ
e
+
µ−
νµ
νµ
e
γ
γ
γ
∼70 m
e+
−
γ
γ
γ
γ
γ
γ
γ
+
e−
γ
γ
γ
+
e
π−
0
+
π−
γ
e−
γ
γ
+
+
e
e+
e+
γ
e−
e−
e+
γ
γ
γ
γ
π−
0
p
γ
e−
γ
+−
γ
e−
γ
γ
π
e−
γ
e+
νµ
γ
e+
e−
γ
π−
e−
νµ
e−
γ
π
π
+−
+
e−
0
+
π−
0
µ−
γ
+
e−
e−
γ
flux (m² sr s GeV) -1
1 particle m-2s-1
knee
HEGRA
1 particle m-2year-1
AUGER
1 particle km-2century-1
ankle
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energy (eV)
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Objectives
• Properties of cosmic rays at the highest energies (>1018 eV)
- Energy → spectrum, GZK cut
- Direction → anisotropies
- Particle nature → chemical composition
• Improve accuracy
• High statistics
⇒ Hybrid detection (Surface array + Fluorescence)
⇒ Very large detector
• Full sky coverage
⇒ Two (Southern and Northern) Observatories
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Southern Observatory in Argentina
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Southern Observatory in Mendoza (Argentina)
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Malargüe, Mendoza (Argentina)
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Southern Observatory (Argentina)
Surface Array
1600 detector stations
1.5 km spacing
3000 km2
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Fluorescence Detectors
4 Telescope enclosures
6 Telescopes per
enclosure
24 Telescopes total 16
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The Surface Array
Detector Station
PMT signals
shape in 25 ns intervals ⇒ Information on
muonic and EM component
Communications
antenna
Electronics
enclosure
GPS antenna
Solar panels
Battery box
3 – nine inch
photomultiplier
tubes
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Plastic tank with
12 tons of water
18
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19
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20
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Example Event
Θ~ 48º, ~ 70 EeV
Lateral density
distribution
Flash ADC traces
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The Hybrid Design
Surface detector array SD + Air fluorescence detectors FD
A unique and powerful design
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The Fluorescence Detector
30°
Los Leones
30°
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Fluorescence Detector
• 440 PMT per camera, each 1.5°
• 15% duty cycle
• 100 ns sampling intervals
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Atmospheric Monitoring and Calibration
Atmospheric Monitoring
Central Laser
Facility
Lidar at each
fluorescence eye
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Absolute Calibration
Drum for uniform
camera illumination –
end to end calibration .
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Reconstrucción de un suceso de fluorescencia
Fitted EM Shower
Desarrollo longitudinal → energía EM →
energía total (independiente del modelo h.)
Geometría (dirección)
from Fly's Eye 1985
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Stereo Hybrid Event - E ≈ 1.6⋅1019 eV - θ ≈ 64°
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Performance: Angular Resolution
Entries 269
σ(ψ) = 1.24º
Laser
Beam
Hybrid Data
Angle in laser beam /FD detector plane
Hybrid Angular resolution =
0.6° (68%)
Hybrid-SD only space angle difference
SD angular resolution for θ<60º (68%)
< 2.2º for 3 station events (E<3EeV)
< 1.7º for 4 station events (3<E<10 EeV)
< 1.4º for ≥ 5 station events (E>10 EeV)
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Construction progress
1160 SD stations deployed
970 operating
3 fluorescence buildings
complete (6 telescopes each)
The last one (Loma Amarilla)
30
in progress
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Complete array (≈ mid 2007)
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First results
- Energy Spectrum
- Anisotropies search
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Data sample:
- January 1, 2004 – June 5, 2005 (> 180.000 events)
- Average area = 660 km² (22 % of final size)
- Zenith angle < 60°
- SD events provides a relatively large statistics (over AGASA)
- Hybrid events (FD + SD) are used for calibration purposes
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Energy determination
Energía FD
S38(1000m) Estimador SD de la energía
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Energy Spectrum
E > 3 EeV (3525 events). Aperture given by the geometry of the array
Exposure = 1750 km2⋅sr⋅y
(30.9±1.7)×(E/EeV)-1.84±0.03
Vertical error bars on points
indicate Poisson statistical
uncertainty (number of events).
50%
Systematic uncertainty is
indicated by double arrows at
two different energies.
30%
Vertical: Exposure uncertainty
Horizontal:: Systematic ∆E
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Estimated Spectrum scaled by E2.5
Equivalent
Equivalent c.m. energy spp
19
19
10
10
18
18
10
10
5
1044
3
10
10
6
105
ATIC
ATIC
PROTON
PROTON
KASCADE
KASCADE (QGSJET 01)
KASCADE
KASCADE (SIBYLL 2.1)
RUNJOB
RUNJOB
MSU
MSU
Akeno
Akeno
106
HiRes-MIA
HiRes-MIA
HiRes
HiRes II
HiRes
HiRes IIII
AGASA
AGASA
Auger 2005
17
10
1017
16
16
10
10
2.5
-2
1.5
-1 -1
Scaled flux E2.5 J(E) (m-2
sec-1
sr -1 eV1.5
)
3
2
10
102
(GeV)
15
10
1015
fixed
fixed target
target (p-A)
(p-A)
HERA
HERA ((γγ-p)
-p)
RHIC
RHIC (p-p)
(p-p)
14
10
1014
LHC (p-p)
Tevatron
Tevatron (p-p)
(p-p)
LHC (C-C)
13
13
10
10
12
10
1012
13
10
1013
14
10
1014
15
10
1015
16
1016
17
1017
R. Engel, Forschungszentrum KarlsruheF. Arqueros
- Workshop ASTROCAM
2006
Energy
(eV/particle)
1018
1019
1020
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Energy uncertainty (systematic)
FD energy:
-
Uncertainties in the fluorescence yield (15%)
Absolute optical calibration (12%)
Several minor contributions
FD Total uncertainty = 25%
EFD – S38 Correlation limited by available statistics. Grows with energy
Total systematic uncertainty ranges from 30 % (3 EeV) to 50 % (100 EeV)
Not yet possible distinguishing between
continuous and GZK cut spectrum !!
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Search for anisotropies in the Galactic Center
A) Coverage map
C) 0.8 EeV < E < 3.2 EeV (5°) SUGAR
B) 0.8 EeV < E < 3.2 EeV (2.2°)
D) 1.0 EeV < E < 2.5 EeV (20°) AGASA
Results on anisotropies search
Comparison with AGASA and SUGAR
AGASA: more events by a factor of ≈ 3
1155 events / 1160.7 (expected). AUGER should have seen a 7.5 σ excess.
SUGAR: more events by a factor of ≈ 10
144 events / 150.9 expected. AUGER should have seen a 10.5 σ excess.
No anisotropy found:
Galactic Center, Galactic Plane, Super-galactic plane
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Summary and Future Plans
- The construction of the Observatory is progressing well
(to be finished in 2007).
- An strategy for spectrum analysis (model independent) already defined.
- First anisotropies searches carried out (no clustering evidence)
- First results with only ≈ 25% of a (full Auger) year exposure
- Our data set will grow enormously in the near future allowing:
- much better statistics
- more hybrid events ⇒ better understanding of our systematics
- Energy spectrum (GZK region) and anisotropies studies will be
performed with unprecedented accuracy
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40
GRACIAS
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