Das Pierre Auger-Observatorium und die energiereichsten kosmischen Teilchen

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1 Das Pierre Auger-Observatorium und die energiereichsten kosmischen Teilchen Virgo A Centaurus A Fornax A -60 Johannes Projektbüro Blümer KIT 22 July 2007 (1) The cooperation of Forschungszentrum Karlsruhe GmbH and Universität Karlsruhe (TH)

2 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 Zentrum des Vortrags steht das Pierre Auger-Observatorium für 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.

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4 ne enge ierre ger erva r re cence e e c pe i ding

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12 Wir schlagen vor, zu Ehren von John Linsley die Einheit 1 Linsley (L) = 1 km 2 sr yr für das Produkt aus Messfläche, Raumwinkel und Beobachtungszeit zu verwenden

13 SIMULATION ON A COMPUTER particle number particle number distance from axis

14 SIMULATION ON A COMPUTER particle number particle number distance from axis

15 Cherenkov telescopes particle detector arrays Radio antenna Fluorescence telescopes HYBRID detection possible

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24 der Greisen-Zatsepin-Kuzmin-Effekt (1964) protons scatter with the CMB: threshold effect above ev: p+ 3K (1232) p 0 p or n + pe + distance from source (Mpc) Sokolsky 1989

25 astronomer artist scientist

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27 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 Malargue 1.5 km between tanks 4 x 6 fluorescence telescopes physics data since January 2004

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29 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.

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37 public online event display 1% of data! or go to Event See CR incoming direction See individual station data Figure 2: Southern array zoomed view Figure 1: Southern array global view Generic Information Id Date Sun Jul 1 15:42: Nb Station 10 Energy 30.4 ± 1.5 EeV Theta 24.6 ± 0.2 deg Phi 11.0 ± 0.5 deg Curvature 8.7 ± 0.4 km Core Easting ± 27 m Core Northing ± 21 m Reduced Chi Figure 3: Lateral Distribution Function (LDF) fit

38 30 stereo events/month (5 triple/m) last FD not yet calibrated angular resolution aperture energy hybrid SD FD mono flat with E, A and model free A, model free A, model dep. dep. on E, A, spectral slope, model A, model free Event ( )

39 SD-FD energies agree very well

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41 are there photons among UHECR? -- Auger 2007: few % Abraham et al (Auger Coll) Now array 2 years array 20 years GZK photons

42 Energy spectrum from SD < 60, 5165 L Slope = ± 0.03 Calibration unc. 18% FD syst. unc. 22% Exp Obs > / > /

43 Residuals from a standard spectrum ± ± ± 0.4

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45 Correlation of the Highest-Energy Cosmic Rays with Nearby Extragalactic Objects GZK: hohe Energie = kurze Distanz AGN-Katalog: kleine Rotverschiebung z = kurze Distanz zulässige Winkelabweichung: Magnetfelder Bemerkungen zu Statistik und Effektsuche...

46 Correlation of the Highest-Energy Cosmic Rays with Nearby Extragalactic Objects Virgo A Centaurus A Fornax A -60

47 Correlation of the Highest-Energy Cosmic Rays with Nearby Extragalactic Objects

48 Correlation of the Highest-Energy Cosmic Rays with Nearby Extragalactic Objects

49 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.

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52 fundamental issues of particle and astroparticle physics Extreme temperatures, gravitational potential, densities, interactions, neutrinos coming out probe to magnetic fields, cosmic neigborhood structure, future relation to DM observations? GZK works on protons Extreme energies: particle interactions at 450 TeV CMS

53 ntext and r ultraor a n SOUTH

54 Warum Auger Nord?! +60 Quellregionen AGN-Korrelation > Quellstudium GZK Protonen? Eisen? Kosmische Strukturen auf 100 Mpc Magnetfelder Karte der Galaxie extragalatisch: B klein Beschleunigung >>10 20 ev schwierig extreme phys. Beding. UHE-Wechselwirkung Myonen? Reaktionsraten? Masse und Xmax Teilchenphysik bei 30 LHC-Energien +30 Virgo A Centaurus A Fornax A -60

55 Warum Auger Nord?! +60 Quellregionen AGN-Korrelation > Quellstudium GZK Protonen? Eisen? Kosmische Strukturen auf 100 Mpc Magnetfelder Karte der Galaxie extragalatisch: B klein Beschleunigung >>10 20 ev schwierig extreme phys. Beding. UHE-Wechselwirkung Myonen? Reaktionsraten? Masse und Xmax Teilchenphysik bei 30 LHC-Energien +30 Virgo A Centaurus A Fornax A -60 Nordhimmel! Höchste Energien Größte Statistik! Optimales Instrument!

56 Auger-Nord Konfiguration 4400 SDs *1 mi = 2.3 km Abstand 8000 mi 2 = km 2 fill the space available! Winkelauflösung...? Effizienz 50% bei ev...? 400 SDs 10% der Fläche dichter belegen mit sqmi-sub-grid 800 mi 2 = 2048 km 2 Effizienz 100% bei ev ~42 FDs in 7 Stationen Teilchenphysik! 40 km Sichtweite HEAT Kalibration )) -1 s -1 sr -1 ev -2 lg(j/(m J/AxE E (ev) lg(e/ev) lg(e/ev) Auger Hires I 1 E (ev)

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58 Colorado option Lincoln Cheyenne Kiowa 8,000 miles 2 = 21,000 km 2 Lamar Bent Prowers Baca 49

59 Option including Kansas Colorado option Lincoln Cheyenne 8,000 miles 2 = 21,000 km 2 Bent Kiowa Lamar Prowers Baca 49

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61 South North SD units 1,600 4,400 SD area 3,000 km 2 20,000 km 2 3 light sensors 1 light sensor Non-insulated Insulated tank center comms tank tank 1.5 km 1-mile 4 buildings with 6 telescopes each large stereo coverage 7 buildings with 6 telescopes each little stereo coverage

62 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

63 1 mile these are only examples! 1.4 miles

64 CO KA Cheyenne Lincoln 40 km Kiowa Lamar Bent Prowers investigating telescope arrangement field of view 30, up to 40 km far (?) Baca complete coverage possible with single telescopes

65 CO KA Cheyenne Lincoln Kiowa Lamar Bent Prowers 40 km investigating telescope arrangement field of view 30, up to 40 km far (?) Baca complete coverage possible with single telescopes

66 Lamar Community Center

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69 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 Zentrum des Vortrags steht das Pierre Auger-Observatorium für 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.

70 Vielen Dank!