Inés Valiño y Pedro Facal (Auger Collaboration)

XXXI Reunión Bienal de la RSEF

Eventos inclinados en el Observatorio Pierre

Auger: espectro energético y

sensibilidad a UHE neutrinos Inés Valiño y Pedro Facal

(Auger Collaboration)

[email protected]

Granada, 10 de Septiembre del 2007

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Observatorio Pierre Auger

El detector híbrido diseñado para el

estudio con gran estadística del

espectro energético, dirección de

llegada y composición de UHCR en la

región GZK (y más allá) .

Dos técnicas complementarias de detección:

• Detector de superficie (tanques de Cherenkov en agua)

• Detector de fluorescencia

Mendoza (Argentina)

(en construcción, tomando datos )

Colorado (USA)

(planeado)

Exposición uniforme: hemisferios Norte y Sur

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1600 tanques:

1455 posicionados (91%)1407 con agua 1364 tomando datos

22/07/07 ~ 85%

4 edificios de fluorescencia cada uno con 6 telescopios funcionando.

Primer evento detectado por los 4 ojos en 20/05/07

Observatorio Hemisferio Sur

~3000 km2

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Unidad del Detector de Superficie

Espejo y cámara del telescopio de fluorescencia

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XXXI Reunión Bienal de la RSEF Cascadas atmosféricas

inclinadas

• Cascadas con ángulo cenital ≥ 600

• La componente electromagnética es absorbida en la atmósfera.

• La componente muónica domina a nivel del suelo. Pequeño halo

EM (~15%) debido a la desintegración de los muones en vuelo.

• Los muones sufren desviaciones debido al campo geomagnético

EM halo

Cascada inclinada

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Importancia de la detección las cascadas inclinadas:

Aumentan la apertura angular del experimento (~30%) y su

cobertura del cielo.

Las cascadas inclinadas están dominadas por muones. El estudio de la componente muónica en el suelo es relevante en estudios de:

composición

modelos hadrónicos

La detección de neutrinos es posible a través de cascadas

horizontales

Los tanques Cherenkov son capaces de detectar partículas entrando en el tanque a cualquier SD es eficiente en la detección eventos inclinados

Detección de eventos inclinados

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ESPECTRO ENERGÉTICO

DE EVENTOS

INCLINADOS

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Evento verticalθ ~ 48°

GEOMETRIA EN EL PLANO DEL SUELO DISTRIBUCIÓN LATERAL DE LA SEÑAL EN EL PLANO DE LA CASCADA

Evento

inclinadoθ ~ 79°

Ruptura de la simetría radial en el plano de cascada

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CERN Courier July 25 2006

Ricardo A. Vázquez

2 lóbulos en el suelo debido a la desviación de los muones por el campo geomagnético

Señal (VEM)

Simulación MC de un evento con el mismo ángulo y energía

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Reconstrucción angular

Primera Última

Tiempo de comienzo de las señales

Reconstrucción de la dirección de llegada (ángulos cenital y azimutal) usando el tiempo de llegada de las señales

La incertidumbre en la reconstrucción del ángulo cenital es 0.90

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XXXI Reunión Bienal de la RSEF Reconstrucción con mapas de muones

Mapa bidimensional de la distribución de muones en el plano de la cascada para cascadas de protones de E = 1019 eV.

Cascadas simuladas a distintos ángulos cenitales y acimutales usando AIRES + QGSJET (incluido efecto del campo geomagnético).

La forma de los mapas es independiente de la masa y del modelo hadrónico

Niveles de señal del mapa de muones

Número de muones Señal (VEM)

Comparación de los mapas de muones con las señales de los detectores

Señales en los detectores

La normalización del mapa de

muones (N19) es el estimador de

la energía

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EFD

~ 6 x 1019 eV

Se mide el perfil longitudinal de la cascada dE/dX que es proporcional a la luz fluorescente y se ajusta a una función “Gaisser-Hillas”.

∫dX (dE/dX) es una medida calorimétrica de la energía,

prácticamente independiente del modelo hadrónico y de la composición (~5%).

Calibración de N19 con EFD : reconstrucción de EFD

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Calibración de N19 con EFD: eventos híbridos inclinados

No hay eventos híbridos con > 750

38 eventos con E > 5 EeV

E = 10-α/β(N19)1/β

E (N19=1) = 8.0 ± 0.3 EeV

El error sistemático de EFD es 22%

Incertidumbre en la calibración es < 12%

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XXXI Reunión Bienal de la RSEF Espectro energético de eventos

inclinados

Sistemático FD (22%)Incertidumbre calibración (10%)

734 eventos

60° < θ < 80°

01/2004 - 02/2007

Pendiente 2.7 ± 0.1

Exposición 1510 km2 yr sr (29% of θ<60º)

independiente de E a partir de la saturación

100% aceptancia

P. Facal ICRC 2007

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XXXI Reunión Bienal de la RSEF Comparación con el espectro de

verticales

θ > 60°θ < 60°

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NEUTRINOS

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Las cascadas inclinadas inducidas por hadrones están compuestas en el suelo por muones + halo EM.

CLAVE PARA IDENTIFICAR CASCADAS INDUCIDAS POR NEUTRINOS BÚSQUEDA DE

CASCADAS INCLINADAS CON COMPONENTE EM EN LAS SEÑALES DE LOS DETECTORES.

Identificación de cascadas de

Los neutrinos pueden penetrar grandes cantidades de materia generando una cascada cerca del detector con componente EM.

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Ejemplos de señales en los tanques del SD

Tiempo (ns)

Tiempo (ns)

Señal

(VEM

)Señal

(VEM

)

Señal estrecha en tiempo producida por la componente muónica

Señal extensa en tiempo producida por la componente electromagnética

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Tipos de cascadas inducidas por

Earth-skimming

Down-going

Distintos criterios de identificación

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Neutrinos Earth-skimming

IDENTIFICACIÓN Cascadas casi horizontales:

• Patrón en el suelo alargado

• Velocidades de las señales ~ c

La mayoría de las señales producidas por componente EM

0 candidatos entre 01/04 y 12/06 (~ 80% de eficiencia de identificación)

ACEPTANCIA

Conversión a en la Tierra: Sección eficaz : CC y NC Pérdida de energía del Desintegración del

Aceptancia para cascadas inducidas por : Depende de la energía y geometría. Área del detector en crecimiento.

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Límite superior al flujo de UHE

K = 2 x 10-7 GeV cm-2 s-1 sr-1

90% CL 01/04 – 12/06

2KE=dE

dNτν

El rango de energía del Observatorio Pierre Auger es adecuado para explorar neutrinos del GZK

p + CMB → →

Límite conservador: el peor escenario para errores sistemáticos en la aceptancia.

O. Blanch ICRC 2007

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Neutrinos down-going

Señal electromagnética

Señal muónica

EARLYEARLYLATE LATE

Se observa la atenuación de la componente EM de la cascada desde el primer al último tanque en tiempo.

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Eventos inclinados: > mínimo

Señales lentas (componente EM) en al menos los 2 primeros tanques del evento.

IDENTIFICACIÓN

Las eficiencias de identificación dependen de:

Energía del neutrino

Ángulo cenital de la cascada

Punto de inyección de la partícula en la atmósfera.

Trabajo en desarrollo …

EFICIENCIA

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Conclusiones y plan de futuro

Los eventos inclinados detectados por el detector de

superficie han sido analizados y permiten aumentar la

apertura del Observatorio Pierre Auger un ~ 30% a las más

altas energías.

ESPECTRO ENERGÉTICO

El análisis de eventos inclinados, basado en mapas 2D de

muones y en la calibración con la energía de FD, resulta en un

espectro energético de pendiente 2.7 ± 0.1.

Las implicaciones en composición o modelos hadrónicos

están actualmente bajo estudio pero limitados por la poca

estadística.

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NEUTRINOS

Se usan eventos muy inclinados para la búsqueda de

cascadas inducidas por neutrinos.

El límite al flujo de neutrinos es:

E2dN/dE = 2 x 10-7 GeV cm-2 s-1 sr-1

Los neutrinos GZK serán testados en 10 años.

El canal de neutrinos down-going aún tiene que ser

completamente explotado.

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27


ESPECTRO

28


Incertidumbre en la reconstrucción de

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Señal medida vs Señal esperada

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Independencia de la forma de los mapas con E y masa del primario

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EFD

= 6.1 ·1019 eV

Hybrid Event: FD Reconstruction

Camera track

First -> Last

Longitudinal profile

Fitted Gaisser-Hillas

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Incertidumbre en la calibración

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XXXI Reunión Bienal de la RSEF Energy resolution from hybrid events

N19

uncertainties (Total ~ 10%)

- Statistical ~10%

- Shower fluctuations 5% - 15%

- Systematics [Preliminary]

Propagation of θ 12% @ 80° [Max]

Model and mass dependence of the

EM correction 7% @ 60° [Max]

EFD uncertainties (Total ~ 22%):

Fluorescence yield ~ 14%

Calibration ~ 10% FD reconstruction ~ 10% Others < 4 %

Fluorescence Detector Uncertainties Dominate

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XXXI Reunión Bienal de la RSEF Trigger & Aperture

Trigger probability as calculated with the muon maps.

Trigger saturates at N19

= 1

High Trigger Levels T4: selection of physical events. Quality trigger (T5): station near to the core surrounded by 6 working stations.

Basic aperture cell

1.95 km1.95 km22

Aperture -> count active cellsExposure -> integrate detector configurations

Energy independent aperture above N19

= 1

10 EeV

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Energy spectrum from SD < 60°

Calibration unc. 18%FD syst. unc. 22%

5165 km2 sr yr ~ 0.8 full Auger year

Slope = -2.62 ± 0.03

Expected Observed> 1019.6 eV 132 +/- 9 51

> 1020 eV 30 +/- 2.5 2

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neutrinos

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At 1018 eV:

Lint () ~ 500 km (θ>95, Earth opaque)

Ldecay () ~ 50 km (, much larger)

LEloss ~ 10 km (1 EeV) (e, much smaller)

Conversion de neutrino tau a lepton tau

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Acceptance calculation(1) Conversion to in the Earth :

cross section: Charged and Neutral Currents

energy losses: bremms., pair production & nuclear interactions.

decay and weak interactions.

(2) decay in the atmosphere: Account for all the branching ratios

& polarisation.(TAUOLA Monte Carlo Code)

(3) Shower produced by decay products in the atmosphere:

Air shower simulator: AIRES + QGSJET01 or SIBYLL2.1

(4) Surface Detector simulation: GEANT4-based simulation. Account for a growing array whose

configuration changes with time.

Jan 04 – Dec 06

XXXI Reunión Bienal de la RSEF SYSTEMATICS

Worst/Best combination of scenarios leads to a factor ~3 difference for the flux limit

Parton Distribution Function uncertainties at low x and high Q2 are not taken into account

Source Uncertainty

MC SimulationsInteractions in EarthExtensive Air Shower +20%, -5%

Pierre Auger ObservatoryAcceptanceTopography

Theoretic knowledgeTau Polarisation +17%, -10%Cross Section +5, -9%Energy Losses +25%, -10%

Total +132%, -45%

±5%

±2%+18%

Theoretic knowledge

All contributions

XXXI Reunión Bienal de la RSEF SENSITIVITY

Sensitivity ≡ one event per year and decade of energy with the full SD

GZKTDAGNWB

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