Study of cosmic ray extensive air showers in the Pierre Auger Observatory

Abstract

Przedmiotem niniejszej pracy jest eksperymentalne badanie obrazu optycznego wielkich pęków atmosferycznych generowanych przez cząstki promieniowania kosmicznego o bardzo wysokiej energii. Analiza ta jest oparta na wyznaczaniu rozkładu poprzecznego światła w obrazie optycznym pęku, rejestrowanym przez detektor fluorescencyjny Obserwatorium Pierre Auger. Rozkład poprzeczny został zmierzony na różnych etapach rozwoju pęku, tzn. dla różnych wartości parametru wieku pęku, dla pęków o energiach wyższych niż 1018 eV. Profile zmierzonych rozkładów poprzecznych są porównywane z profilami otrzymanymi z symulacji w celu testowania funkcji rozkładu poprzecznego światła fluorescencyjnego (tak zwanej funkcji Góry), używanej do parametryzacji rozkładu światła. W wyniku testu stwierdzono, że funkcja Góry opisuje rozkład rejestrowanego światła fluorescencyjnego, pod warunkiem że analiza obejmuje wszystkie efekty atmosferyczne i aparaturowe, poprawnie uwzględnione. W oparciu o znajomość funkcji Góry dla każdego wieku pęku i stosując zmierzony rozkład poprzeczny światła, została opracowana metoda obliczania głębokości atmosferycznej maksimum pęku (Xmax) za pomocą wieku pęku. Pierwsze wyniki uzyskane przy użyciu tej metody dają przybliżone wartości Xmax, które zgadzają się z wartościami oczekiwanymi.

The subject of this thesis is the experimental study of the optical image of extensive air showers generated by ultra high energy cosmic ray particles. This analysis is based on the determination of the lateral distribution of light in the shower optical image recorded by the fluorescence detector of the Pierre Auger Observatory. The lateral distribution was measured at different stages of shower development, i.e. at different shower ages, for showers with energies higher than 1018 eV. The measured lateral distribution profiles are compared to those obtained from the simulations, for the purpose of testing the function of lateral distribution of fluorescence light (the so-called Góra function), used for parameterization of the light distribution. The test has shown that the Góra function describes the measured fluorescence light distribution, if all atmospheric and telescope effects are included properly. Based on the knowledge of the Góra function at each shower age and using the measured lateral distribution of light, the method of calculation of the depth of shower maximum (Xmax) using the shower age was elaborated. The first results obtained using this method give the approximate values of Xmax, which are in agreement with the expected values.