Search for ultra-high energy photons with the AMIGA muon detector

Abstract

Los rayos cósmicos (E > 1014 eV) son conocidos desde hace más de 70 años y, sin embargo, su origen sigue siendo un misterio. Del mismo modo, la posibilidad de una componente fotónica de muy alta energía en el flujo de radiación cósmica es uno de los problemas abiertos en la Física de Astropartículas. La búsqueda de fotones de alta energía complementa las mediciones de los rayos cósmicos y neutrinos hacia una comprensión multi-canal de los fenómenos astrofísicos más energéticos. En particular, el descubrimiento de fotones con energías entre 1016.5 eV y 1018 eV en el flujo de los rayos cósmicos podría ser de particular interés no sólo para el campo de la Física de Astroparticulas, sino también para la Astrofísica y la Física fundamental, ya que son rastreadores de los procesos de mayor energía en el Universo. En la búsqueda de fotones de ultra-alta energía, es crucial definir parámetros sensibles a la composición capaces de rechazar adecuadamente el fondo hadrónico de los rayos cósmicos. El contenido muónico de las lluvias atmosféricas extensas producidas por los rayos cósmicos primarios al entrar en la atmósfera es uno de los aspectos más prometedores que podría conducir a la mejor discriminación posible entre los fotones y los rayos cósmicos hadrónicos. El detector de muones subterráneo AMIGA, como parte de la próxima mejora AugerPrime del Observatorio Pierre Auger, ofrece una oportunidad única y directa para medir muones de alta energía de lluvias atmosféricas extensas, y así, aumentar la sensibilidad del Observatorio a una señal fotónica primaria. La Colaboración Pierre Auger ha propuesto varios parámetros para estudiar una posible componente fotónica de ultra-alta energía en el flujo hadrónico de rayos cósmicos. Sin embargo, su no-observación resultó en límites superiores para energías por encima de 1018 eV. Por otra parte, la ventana energética entre 1016.5 eV y 1018 eV sólo ha sido explorada por los experimentos de KASCADE-Grande y EAS-MSU, que imponen límites superiores al flujo fotónico. Actualmente, este dominio energético no es explorado por el Observatorio Pierre Auger. El objetivo principal de esta tesis es la extensión de la búsqueda de fotones de ultra alta energía hasta ∼ 1016.5 eV. Los estrictos límites superiores teóricos y experimentales al flujo fotónico en estas energías hacen que la búsqueda de una débil señal fotónica en el vasto fondo de los rayos cósmicos hadrónicos sea una tarea desafiante. Por lo tanto, los parámetros sensibles a la señal predominantemente electromagnética de los fotones primarios son de suma importancia. En este marco, definimos y describimos dos nuevos observables sensibles a la composición diseñados para la discriminación fotón/hadrón con el fin de detectar fotones primarios a energías del orden de 1016 eV o mejorar los límites superiores establecidos por experimentos anteriores. El observable Mb combina las densidades de muón medidas por las estaciones de muón subterráneas AMIGA y su distancia al eje de la lluvia, de manera similar al conocido parámetro Sb utilizado anteriormente en las búsquedas fotónicas por la Colaboración Pierre Auger. Por otra parte, el observable Q explota la diferencia en la pendiente de la distribución lateral de partículas entre las lluvias iniciadas por fotones y hadrones. En este último caso, se espera que las lluvias se desarrollen a mayores alturas en la atmósfera y lleguen al suelo con una distribución más plana de partículas. En este trabajo, afinamos ambos observables para ser aplicados en el detector de superficie y detector de muones del Observatorio Auger para energías por encima de Erec = 1016.4 eV y θ < 45°. Un método multiparamétrico, bautizado Mb + Q, es extensamente estudiado y su ejecución se aborda bajo numerosas condiciones. Se demuestra que el rechazo de fondo y la eficiencia de la señal para el método compuesto son adecuados para imponer los mejores límites superiores de todos los experimentos de rayos cósmicos con tan sólo unos pocos años de datos, y en particular mejorarlos por un orden de magnitud al final actualmente planificado de operación de Auger el 31 de diciembre 2025. Considerando la alta exposición del experimento Auger en dirección al centro galáctico, el método descrito en esta tesis representa una herramienta valiosa con un potencial de descubrimiento sin precedentes en la detección de una señal fotónica minúscula en el flujo de rayos cósmicos. Aunque en esta investigación se presenta una estimación ciega de la sensibilidad a un flujo fotónico, está previsto que la aplicación a los datos se lleve a cabo en un futuro próximo para una publicación oficial de la Colaboración Pierre Auger.

Cosmic rays (E > 1014 eV) have been known for more than 70 years, and yet their origin remains elusive. Similarly, the possibility of a very-high energy photon component of the cosmic radiation is one of the open problems in Astroparticle Physics. The search for high energy photons complements measurements of cosmic rays and neutrinos towards a multi-messenger understanding of the most energetic astrophysical phenomena. In particular, the discovery of photons with energies between 1016.5 eV and 1018 eV in the cosmic rays flux could be of particular interest not only for the field of Astroparticle Physics, but also for Astrophysics and fundamental Physics, since they are tracers of the highest-energy processes in the Universe. In the search for ultra-high energy photons, it is crucial to define composition-sensitive parameters capable of adequately rejecting the hadronic cosmic-ray background. The muon content of the extensive air showers produced by primary cosmic rays as they enter the atmosphere is one of the most promising aspects that could lead to the best possible discrimination between photons and hadronic cosmic rays. The AMIGA underground muon detector, as a part of the upcoming AugerPrime upgrade for the Pierre Auger Observatory, offers a unique and straight-forward opportunity to directly measure high-energy muons of extensive air showers, and thus, enhance the sensibility of the Observatory to a primary photon signal. The Pierre Auger Collaboration has proposed several parameters in order to study a possible ultra-high energy photon component in the hadronic cosmic-ray flux. However, the nonobservation of photon candidates resulted in upper limits for energies above 1018 eV. On the other hand, the energy window between 1016.5 eV and 1018 eV has only been explored by the KASCADEGrande and the EAS-MSU experiments which impose upper limits to the photon flux. Currently, this energy domain is not explored by the Pierre Auger Observatory. The main objective of this thesis is the extension of the ultra-high energy photon search down to ∼ 1016.5 eV. The stringent theoretical and experimental upper limits to the photon flux at these energies make the search of a weak photon signal in the vast hadronic cosmic-ray background a challenging task. Therefore, parameters sensitive to the predominantly electromagnetic signal from photon primaries are of paramount importance. In this framework, we define and describe two new composition-sensitive observables designed for the photon/hadron discrimination quest in order to either detect photon primaries in the 1016 eV energy domain or improve the upper limits established by previous experiments. The observable Mb combines the muon densities measured by the AMIGA underground muon stations and their distance to the shower axis, similarly to the well-known Sb parameter used previously in photon searches by the Pierre Auger Collaboration. On the other hand, the observable Q exploits the difference in the slope of the lateral distribution of particles between photon- and hadron-initiated showers. In the latter case, the showers are expected to develop higher in the atmosphere and thus they arrive to the ground with a flatter distribution of particles. In this work, we tune both observables to be applied in the surface and muon detector of the Auger Observatory for energies above Erec = 1016.4 eV and θ < 45°. A multiparametric method, baptized Mb+Q, is extensively studied and its performance is addressed under numerous conditions. The background rejection and the signal efficiency for the compound method is proved to be suitable to impose the best upper limits of all the cosmic-ray experiments with only a few years of data, and particularly improve them by one order of magnitude by the end of Auger planned operation at December 31st 2025. Considering the high exposure of the Auger experiment in the direction of the Galactic center, the method described in this thesis represents a valuable tool with an unprecedented discovery potential in the detection of a minuscule photon signal in the cosmic-ray flux. Although a blind estimation of the sensitivity to a photon flux is presented in this research, the application to data is foreseen to be carried out in the near future for a dedicated full-author list paper of the Pierre Auger Collaboration

Kosmische Strahlung (E > 1014 eV) ist seit mehr als 70 Jahren bekannt, jedoch bleiben ihren Ursprung unerklärt. Ebenso ist das Vorhandensein einer hochenergetischen Photonenkomponente der kosmischen Strahlung weiterhin eine offene Frage der Astroteilchenphysik. Die Ergänzung von Messungen kosmischer Strahlung und Neutrinos durch hochenergetische Photonen verfeinert unsere Multi-Messenger-Suche von energetischsten astrophysikalischen Phänomenen. Insbesondere die Entdeckung von Photonen mit Energien zwischen 1016.5 eV und 1018 eV im Fluss der kosmischen Strahlung könnte nicht nur für die Astroteilchenphysik relevant sein, sondern auch für die Astrophysik und die Grundlagenphysik, da sie Indikatoren der energiereichsten Prozesse im Universum sind. Bei der Suche nach ultrahochenergetischen Photonen ist es entscheidend, kompositionssensitive Parameter zu definieren, die in der Lage sind, den Untergrund der hadronischen kosmischen Strahlung adäquat zu eliminieren. Der Myonengehalt der Sekundarteilchen ausgedehnter Luftschauer gehört zu den vielversprechendsten Aspekten bei der Unterscheidung zwischen Photonen und hadronischer kosmische Strahlung. AMIGA, ein sich in 2.5 m Bodentiefe befindlicher Myondetektor, ist Teil des AugerPrime-Upgrades für das Pierre-Auger-Observatorium. Es bietet eine einzigartige Lösung, wobei hochenergetische Myonen von ausgedehnten Luftschauern direkt gemessen werden. Damit wird die Sensivilität des Observatoriums zum Nachweis von Photonen als Primärteilchen drastisch verbessert. Es gab bereits mehrere Ansätze der Pierre-Auger-Kollaboration, um eine mögliche ultrahochenergetische Photonenkomponente in der kosmischen Strahlung zu untersuchen. Die Nichtbeobachtung von Photonenkandidaten führte jedoch zu Obergrenzen für Energien über 1018 eV. Andererseits wurde das Energiefenster zwischen 1016.5 eV und 1018 eV nur von der KASCADEGrande und den EAS-MSU-Experimenten untersucht, strikte Obergrenzen des Photonenflusses bestimmten. Derzeit wird dieser Energiebereich im Rahmen des Pierre-Auger-Observatoriums nicht erforscht. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Erweiterung der ultrahochenergetischen Photonensuche bis zu Energien von ∼ 1016.5 eV. Die strengen theoretischen und experimentellen Obergrenzen des Photonenflusses bei diesen Energien macht die Suche nach einem schwachen Photonensignal bei hohem hadronischen Strahlungsuntergrund zu einer herausfordernden Aufgabe. Daher sind Parameter, die auf das überwiegend elektromagnetische Signal empfindlich sind, wie im Falle von Photonen, von äußerster Wichtigkeit. In diesem Rahmen werden zwei neue photonsensitive Parameter definiert und beschrieben, die für die Suche nach der Photonen-/HadronenDiskriminierung entwickelt wurden, um entweder Photonen im Energiebereich 1016 eV zu detektieren oder die Obergrenzen zu verbessern, die durch bisherige Experimente ermittelt wurden. So wie mit dem Sb Parameter, welcher zuvor bei der Photonensuche der Pierre-Auger-Kollaboration verwendet wurde, wird bei Mb die Myondichte der AMIGA-Stationen und deren Abstand zur Schauerachse kombiniert. Die Observable Q nutzt den Unterschied in der Steilheit der lateralen Verteilung der Teilchen zwischen photon- und hadroninduzierten Luftschauern. Im letzteren Fall wird erwartet, dass sich die Luftschauer in der Atmosphäre höher entwickeln und deshalb mit einer flacheren Teilchenverteilung auf den Boden gelangen. In dieser Arbeit werden die Observablen der Oberflächen- und AMIGA-Detektoren so optimiert, dass sie im Energiebereich über Erec = 1016.4 eV und θ < 45° verwendet werden können. Eine multiparametrische Methode, Mb + Q genannt, wird ausführlich untersucht und ihre Leistungfähigkeit wird unter zahlreichen Bedingungen untersucht. Die Untergrundunterdrückung und der Photonnachweis für das multivariate Verfahren sind geeignet zur Bestimmung der striktesten Obergrenzen aller Experimente in diesem Energiebereich innerhalb nur weniger Jahre Messzeit. Bis zum Ende der geplannt Laufzeit des Observatoriums wird eine um eine Größenornung verbesserte Obergrenze erwartet. In Anbetracht der hohen Exposition des AugerExperiments in Richtung des galaktischen Zentrums, stellt die in dieser Arbeit beschriebene Methode ein wertvolles Werkzeug dar eine winziges Photonensignal im galaktischen Strahlungsfluss zu finden. Obwohl im wesentlichen nur eine Blindstudie zur Empfindlichkeit eines Photonenflusses in dieser Studie vorgestellt wird, ist die Anwendung auf Daten in naher Zukunft im Rahmen einer Auger-Publikation in Arbeit. Erst dann dürfen die bisher unbenutzen Daten untersucht werden.