High Energy Cosmic Rays and 

the Pierre Auger Observatory

Sofia AndringaLIP­Lisboa

CFTC, 21st February 2007

High Energy Cosmic Rays and 

the Pierre Auger Observatory1. Cosmic Rays, Particle Physics and Astrophysics2. Atmosphere as a Detector3. Experiments: HiRes and AGASA and 

  The Pierre Auger Observatory4. Auger's First Results and Prospects5. Auger at LIP

High Energy Cosmic Rays Flux(m2.sr. s.GeV)­1

Energy(eV)

1 particle per km2.century

1 particle per m2.s

1 particle per m2.year

1 particle per km2.year

High Energy Cosmic Rays Flux(m2.sr. s.GeV)­1

E(eV)

1 particle per km2.century:     “toe?”  GZK limit

1 particle per m2.s

1 particle per m2.year:

“knee”limit for SNR

1 particle per km2.year:“ankle”

Galactic / Extra­galactic

Flux*E2.5

Flux*E3Flux*E3

Flux

Cosmic Rays and Particle Physics

different techniques:only 20 events above 

1020 eV

The largest accelerator!

Cosmic Rays and Astrophysics

Production: sources, spectra, composition, acceleration mechanismsPropagation: magnetic fields, interactions with medium, solar wind

... magnetosphere, atmosphere...

Cosmic Rays and Astrophysics

Emax

=ZBL

available energies at sources,energy losses during way...and deflections...

new astronomy channel for very high energies:  can look for sources!

Greisen­Zatsepin­Kuzmin (GZK) cut­off

p

 (2.7K)

= p

CMB

   

~ 6 Mpc  for E~1020eVno known sources so close!

Cut­off or pileup:depending on source types and source distributions,primary compositions,magnetic fields....

Cosmic Rays and Astrophysics

E>1014 eV­­­>Extensive Air Shower in Atmosphere

high energy nuclear interaction in ­> km to multiply particles ­> 1 hadron: 100 muons: 10000 e­/e+/huge number of particles over some km2

High Energy Cosmic Rays

Nemax  E

Xmax

  lnE

Energy and particle types? light or heavy ions?horizontal , double bang , LQ, BH, ?

high energy interactions: extrapolated QCD...+ other (new) interactions? [info from LHC?] different fragmentation models?check by comparing EM to Hadronic...

low energy interactions: from accelerator meas.+ details of atmosphere, lots of simulation...check by comparing different particle types and spatial distributions

look at general trends (sources, energy spectra, composition) but also details of “normal” data to isolate unexpected

High Energy Cosmic Rays

High Energy Cosmic Raysas Extensive Air Showers 

To see very few, very energetic particles we need big detectors: Atmosphere 

­ Particles at ground­ Cerenkov Radiation­ Radio emission­ Fluorescence light­ ...

Different techniques relying on different properties and 

interactions

Extensive Air Showers Surface Detectors:thousands of particles reach the ground,spreading over several km2... 

core and arrival times give the axis line.

Energy from density of particles at a given distance from the core. Composition statistically by densitiesof different particles...

AGASA

parameterizedby simulation

Extensive Air Showers in Cerenkov Particles with v > c' (in medium) emit Cerenkov light in a 1o­2o cone in air  (reaching 20o due to p

T). 

Cerenkov  Radiation from EAS can be 0.01% of all night sky lightseen only in clear moonless nights ­> 10% duty cycle

directionality: allows to point at sourcesto check high energy gamma emissionfrom known sources and find structure

SNR seen by Magic+VLA radio+Gas clouds

Extensive Air Showers in Radio 

Annihilatione+

e­γ

Compton

e­

e­1. The shower has a negative net charge (~10% excess)

2. The geomagnetic field separates e+ from e­

two charged currents and also dipole emission

better even for horizontal showers: neutrinos

e­

e+ coherent emission at wavelengths > typical dimensionsvery good directionality but high backgrounds?

Extensive Air Showers Fluorescence Detectors:Atmosphere as electromagnetic calorimeter

electrons excite N2 molecules which emit 

isotropic UV light. 

As much as Cerenkov light but isotropic!non­directionality allows for cosmic rays to be detected in a large volumein clear moonless nights: 10% duty­cycle

Shower axis line reconstructed fromtelescope granularity, stereo observations and time dependence.

Energy found from the EM part of theshower. Composition given statistically by analysis of the shower longitudinal profiles.

Nemax  E

Xmax

  lnE

HiRes Fly's Eye 

The Pierre Auger Observatory “Observatory” for Particle Physics also: available E ~ 1­100 LHCsRelatively high luminosity: 1/century/km2  ~30/year/Auger

Hybrid detector:

 ­ use the best of   each technique

 ­ confirm energy    reconstruction

 ­ understand    interactions

The Pierre Auger Observatory: SD 

1600 pure water tanks1.5 km spacing  ­ 10 m2 eachinstallation will end in 2007 

  3000 km2

  in the Pampa  Argentina

The Pierre Auger Observatory: SD Water Cerenkov detector: 70% muons + 30% electrons

reconstruction from E and T

Autonomous systems:

solar panels and batteries,Radio communications,GPS timing,40 MHz FADC

The Pierre Auger Observatory: FD 4 “eyes” (3 working already)6 telescopes in each viewing 30ox30o

with 440 pixel cameras... and 4 weather stations!

The Pierre Auger Observatory: FD emitted Fluorescence light depending on p,T,(new measurements is 2006!)and attenuated due to clouds and also Rayleigh and Mie scattering 

+ not perfect optics: a dot is a spot...

I=I01+cos2

2R22

n2­1n2+2

d2( ( ( )))4 2 6

­­> signal loss and distortions,mainly for low altitude(higher density and dust)

Pierre Auger Observatory: Extensions

Galactic­

Center

Auger North (2009?): 10.000 km2

larger spacing1 or 2 big eyeshigh energyextra­galactic sources

0o ­ 30o

30o ­ 60o

1.5 km0.75 km

Auger South (2007­8): + galactic sourceslow energy extension­ smaller spacing SD­ higher angle FD­ other techniques(Radio, etc)

Pierre Auger ObservatoryThe standard SD reconstruction

Energy!

Pierre Auger ObservatoryThe standard FD reconstruction1. plane that contains pixel directions(SDP: shower­detector plane)

2. fit central time vs. projection in SDP(shower axis and core) 

­­> better if SD times can be used!

3. fit energy along this line assumingGaisser­Hillas distribution(works well for regular p/Fe showerswith maximum inside detection volume)

Pierre Auger ObservatoryThe hybrid reconstruction

T emission+ T prop.

To

Rp Xo

FluorescenceDetection:EM shower

Surface Detection:Hadronic shower(and muons) 

SD vs FD

The Pierre Auger Observatory 

Old Energy Spectras

Different spectras from different techniques?Calorimetery in Atmosphere vs. Simulation results: systematics?

HiRes (FD) AGASA (SD)

Air Showers SimulationsSurface Detection depends on Simulations:

* unkown high­energy interactions?* low pT accelerator measurements extrapolated   to energies many orders of magnitude higher* hard, soft, diffractive collisions...* many models...  

many particles...follow onlysub­showers

Atmosphere MonitoringFluorescence detection depends on the description of the atmosphere and its changes inpressure, temperature +the presence of clouds(monitored constantly), but also dust, etc... 

winter / summer @ Malargue

New Energy SpectraAlthough only 10% of the events are hybrid we can calibrate theenergy from Fluorescence and rely on simulation for missing energy only.

Use SD reconstructionS1000 (density 1000 m from core)

  S38 (what it would be at 38o)

       Energy Calibrated by FD

Spectrum with high statistics    and (almost) no simulation of air showers

New Energy Spectra (Aug. 2005)Still no events above 1020 eV...

(only 1st Auger spectra:~6 months of full Auger~full AGASA exposure)<25% systematics fromcalibration aerosols and cloudsfluorescence yieldmissing energy correction

new results for ICRC 2007:with 4­5x AGASA/HiResand (much) lower systematics

Search for sources? Known or Suspect SourcesCorrelations with catalogs?   ­­> need low number and

   good directionality

Unknown or Surprise SourcesAuto­correlations in data?   ­­> need high statistics and

   good directionality 

Cosmic Ray arrival directions seem very isotropic.Possibly not so at high energy?Directionality depends on energy!

Search for sources? AGASA

4.5 

E > 4 1019 eV5 pairs and 1 triplet within  3o

* expected onesor

* surprises

Old results forAGASA high energyevents.

Not seen by Auger: *need more statistics...

Primary Composition

Composition measurements always based on MC...Can confirm models? 

proton

iron

AGASA

muons from hadronic interactions

Primary Composition

Change of sources? Change of methods?

Large differencesin simulation models:

other ways to measure?* mostly dispersions

Pierre Auger Observatoryactivities at LIP

* detailed simulation of the telescopes

* detailed simulation of the Rayleigh and Mie Scattering

* hadronic physics and new physics models

* FD reconstruction­ measurement of the Cerenkov contributions

  ­ 3D reconstruction and fluorescence lateral profiles

Telescopes Simulation

All telescope, mirror and camera:test small optical effects: spot­­­­­­­­>

Scattering SimulationSimulate atmosphere,Rayleigh Scattering and Mie Scattering

allows to study Auger Lasers!

­­> for atmosphere monitoring,scattering correction studies,alignment tests, spot and camera tests

Hadronic Models

Towards a full modelsimulation:

test effects on:inelasticity, pT,­­> and oncomposition analysis!

J.Dias de Deus et al

Percolation?

Many different models, mostly empirical:understand details of interactions and effects on observables

CerenkovCerenkov radiation is seen when the shower approaches the eye!Much more intense than Fluorescence, at specific angles (up to 20o due to pT)

It is a background – regarding the FD calorimetry ­ but can give information on pT distribution within shower!

3D reconstruction

Assuming planar wave propagationto find a unique 3D volume[position along axis line+transversal coordinate] 

T emission+ T prop.

Try recover one more dimensionwith more information from time

FD reconstructs shower as a 2D line

3D view of a close­by Cosmic Ray each point/volume has different precision in space.

Energy isdistributed in volumes

Can be used for fittingand to searchfor structures.

3D reconstruction 

3D view of a cloud The points more compatible with a line are shown. Large energy loss in the cloud...

3D reconstruction 

Z

XY

New variables: average radius, symmetry,...analysis starting in data (and simulations) 

R (in km)

shape var.

3D analysis 

Direct access to transverse profile of shower:good to test pT, electromagnetic shower developmentand help in determination of Xmax (composition)direct integration of the energy in true geometry!

3D analysis and New Physics?

τ

BH

Horizontal showers are a signature for neutrinos...

... double bang showers can be a signature for taus ­­> also non­hadronic physics in Auger:

Searches for Black Holes,Excited Leptons, Leptoquarks, ...

S.Bottai

     quasi­ horizontal     

    Earth­skimming

Up –going (with regeneration) 

SummaryUltra High Energy Cosmic Rays:

many mysteries to be solved new scales in Astrophysics and Particle Physics

The Pierre Auger Observatory:profit from Hybrid measurements  already some results, many more this year, maybe some surprises...South almost completed, to be extended, North will come soon

LIP:entered Auger in March 2006~10 people, lots of work, many ideasmore ideas and help welcome!