The measurement of the cosmic ray primary energy spectrum...

32
Elena Cantoni for the KASCADE-Grande Collaboration Elena Cantoni for the KASCADE-Grande Collaboration Cosmic Ray International Seminar - 2010 Cosmic Ray International Seminar - 2010 University of Torino Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario di Torino - INAF   The measurement of The measurement of the cosmic ray primary energy spectrum the cosmic ray primary energy spectrum at 10 at 10 1 6 1 6  – 10  – 10 1 8 1 8  eV  eV with the KASCADE-Grande experiment with the KASCADE-Grande experiment

Transcript of The measurement of the cosmic ray primary energy spectrum...

Page 1: The measurement of the cosmic ray primary energy spectrum ...personalpages.to.infn.it/~cantoni/elena_cris_2010.pdf · Cosmic Ray International Seminar 2010 University of Torino Istituto

Elena Cantoni for the KASCADE­Grande CollaborationElena Cantoni for the KASCADE­Grande CollaborationCosmic Ray International Seminar ­ 2010Cosmic Ray International Seminar ­ 2010

University of TorinoIstituto di Fisica dello Spazio Interplanetario di Torino ­ INAF  

The measurement of The measurement of the cosmic ray primary energy spectrum the cosmic ray primary energy spectrum 

at 10at 101 61 6  – 10 – 101 81 8  eV  eV with the KASCADE­Grande experimentwith the KASCADE­Grande experiment

Page 2: The measurement of the cosmic ray primary energy spectrum ...personalpages.to.infn.it/~cantoni/elena_cris_2010.pdf · Cosmic Ray International Seminar 2010 University of Torino Istituto

2

OutlineOutline

Motivations for the KASCADE­Grande experiment in the cosmic ray physical context

KASCADE­Grande features and performances

The measurement of the cosmic ray energy spectrum

Outlook

Conclusions

Page 3: The measurement of the cosmic ray primary energy spectrum ...personalpages.to.infn.it/~cantoni/elena_cris_2010.pdf · Cosmic Ray International Seminar 2010 University of Torino Istituto

KASCADE – Grande KASCADE – Grande at Karlsruhe Institute of TechnologyLarge multicomponent ground­based experiment for high­quality EAS measurements in the range 101 6 – 101 8 eV

KArlsruhe Shower Core and Array DEtector (from 1996)

Grande (2003):

extension with 37 detectors fromformer EAS-TOP (1987 – 2000, LGNS)

3

Page 4: The measurement of the cosmic ray primary energy spectrum ...personalpages.to.infn.it/~cantoni/elena_cris_2010.pdf · Cosmic Ray International Seminar 2010 University of Torino Istituto

4

Motivations for the KASCADE­Grande experiment Motivations for the KASCADE­Grande experiment in the cosmic ray astrophysical contextin the cosmic ray astrophysical context

Study cosmic ray primary energy spectrum and composition at 101 6 – 101 8 eV            → crucial range, somehow unexplored:                                                                      ­ complete “knee” studies                                                                                       ­ investigate galactic­to­extragalactic transition

CRs spectrum: power lawJ(E)  E­  γ with peculiarities

4

Page 5: The measurement of the cosmic ray primary energy spectrum ...personalpages.to.infn.it/~cantoni/elena_cris_2010.pdf · Cosmic Ray International Seminar 2010 University of Torino Istituto

5

“KNEE” at 3 – 5 101 5  eV:steepening of spectral indexfrom ~2.7 to ~3.1 

“ANKLE” at 4 – 10 101 8  eV:Flattening by roughly the same index ~ 0.3 – 0.4  

5

Page 6: The measurement of the cosmic ray primary energy spectrum ...personalpages.to.infn.it/~cantoni/elena_cris_2010.pdf · Cosmic Ray International Seminar 2010 University of Torino Istituto

6

 The “knee”: → caused by steepening of 

    light primaries spectra 

 Explained with standard model  for galactic CRs ? → consequence of magnetic confinement at

acceleration sites and during propagation E

m a x = Z∙E

0 with E

0   3∙10≈ 1 5  eV

 → rigidity dependence of the brake off → iron knee expected at ~ 101 7  eV ?

EAS­TOP & MACROEAS­TOP & MACRO

KASCADEKASCADE

M. Aglietta et al., N.P. B, 35 (1994) 257

T. Antoni et al., A.P., 24 (2005) 1­25

Page 7: The measurement of the cosmic ray primary energy spectrum ...personalpages.to.infn.it/~cantoni/elena_cris_2010.pdf · Cosmic Ray International Seminar 2010 University of Torino Istituto

7

 The galactic­to­extragalactic transition:

“mixed composition model” (Hillas, Allard, et al.)               → extra contribution “B” of galactic CRs up to E > 101 8  eV         → raise of extragalactic component just at the highest 

energies, from early active sources → sign of transition: “ankle” → sign of component B: “second knee” 

 “dip model” (Berezinsky et al.)  → break of galactic component 

at ~ 101 7  eV  → raise of purely extragalactic p 

(explains ankle), AGNs as sources → sign of transition: “second knee”

at 5 – 7 101 7  eV (AKENO, HiRes)

7

Page 8: The measurement of the cosmic ray primary energy spectrum ...personalpages.to.infn.it/~cantoni/elena_cris_2010.pdf · Cosmic Ray International Seminar 2010 University of Torino Istituto

KASCADE­Grande features and performancesKASCADE­Grande features and performancesKASCADE:                                                                                                          → energy range 101 4 – 101 6 eV                                                                             → 252 detector stations over 200x200 m2                                                        → in a station: measurement of e and μ                                                          (E>230 MeV) separately with 

two co­located types of scintillators

Grande:                                                                                                            → 37 detector stations 10 m2 each                                                                 spread over 700 x 700 m2                                                                                 → in a station: measurement of                                                                        all­charged e + μ                                                                                              

 → 18 hexagonal clusters. 7 out­of­7                                                              coincidence triggers data acquisition

Upper view and Bottom view of a Grande stationUpper view and Bottom view of a Grande station

8

Page 9: The measurement of the cosmic ray primary energy spectrum ...personalpages.to.infn.it/~cantoni/elena_cris_2010.pdf · Cosmic Ray International Seminar 2010 University of Torino Istituto

  Event reconstruction: → EAS observables: 

. arrival direction (θ,φ) [from time differences of EAS arrival times on G st.s]

. core position (Xc,Y

c)      

. total charged size Nc h

 [from energy deposit in each G station]

from Grande measurements    . muon size N

μ  from→  KASCADE measurements

    

Rec.ed July 8 2005, 12:11 UTC. Core: (-155, -401) m. log10(Nch) = 7.0. log10(Nμ) = 5.7. Zenith : 24.2°. Azimuth: 28.4°

W. D. Apel et al., N.I.M. A, 620 (2010) 202 ­ 216

9

datadata

datadata

Page 10: The measurement of the cosmic ray primary energy spectrum ...personalpages.to.infn.it/~cantoni/elena_cris_2010.pdf · Cosmic Ray International Seminar 2010 University of Torino Istituto

10

 Grande reconstruction accuracies:    → direct comparison with KASCADE; results in agreement with MC simulations 

Rayleigh fitRayleigh fit

σ(Nc h

): syst. < 8%; stat. < 15%

at full efficiency i.e. Nc h

 > 106σ(θ,ϕ): ≈ 0.8°

σ(Xc,Y

c): ≈ 6 m

W. D. Apel et al., N.I.M. A, 620 (2010) 202 ­ 216

Page 11: The measurement of the cosmic ray primary energy spectrum ...personalpages.to.infn.it/~cantoni/elena_cris_2010.pdf · Cosmic Ray International Seminar 2010 University of Torino Istituto

11

 KASCADE ­ Grande muon reconstruction accuracy:    → from Monte Carlo simulations (FLUKA/QGSjetII) it is found: 

 Mean ∆Nµ/N

µt r u e  ≤ 20% satisfactory, but features of inaccuracies well understood, so

   → application of correction function:      N

µc o r r  = N

µ∙f(θ,r,N

µ)

     ­ calibrated with simulations     ­ H, He, C, Si, Fe mixed   → total syst. with correction     within 10% at all N

µ

W. D. Apel et al., N.I.M. A, 620 (2010) 202 ­ 216

simsimsimsim

simsim

Page 12: The measurement of the cosmic ray primary energy spectrum ...personalpages.to.infn.it/~cantoni/elena_cris_2010.pdf · Cosmic Ray International Seminar 2010 University of Torino Istituto

12

 The events selection: → Runs with detector in stable performance and fully operational → Events passing successfully the full KG reconstruction procedure → 0° ≤ θ ≤ 40° [to avoid reconstruction uncertainties of higher angles] → fiducial area (see figure) 

    [to discard border effects and under and over­estimation of Nµ]

 → events at full reconstruction efficiency (E0 ? 101 6  eV from simulation studies)

 Finally, for this analysis:   → 1173 days of data   → 2∙109 cm2∙sr total acceptance   → 2∙101 7  cm2∙s∙sr total exposure

simsim

Page 13: The measurement of the cosmic ray primary energy spectrum ...personalpages.to.infn.it/~cantoni/elena_cris_2010.pdf · Cosmic Ray International Seminar 2010 University of Torino Istituto

13

Reconstruction of the cosmic ray energy spectrumReconstruction of the cosmic ray energy spectrum

 Three approaches are used:   → use of the observable N

c h

   → use of the observable Nµ

   → use of the combination of Nc h

 and Nµ

This makes possible a number of important cross checks:   → reconstruction procedures   → systematic uncertainties   → effectiveness of hadronic interaction models in describing the data

 Moreover:    → Test sensitivity to composition 

Page 14: The measurement of the cosmic ray primary energy spectrum ...personalpages.to.infn.it/~cantoni/elena_cris_2010.pdf · Cosmic Ray International Seminar 2010 University of Torino Istituto

14

  The first two methods can be described in parallelThe first two methods can be described in parallel 

      charged size spectra                                        muon size spectra

in different angular ranges of equal acceptance

 → the size spectra must be corrected for attenuation effects in the atmosphere → the Constant Intensity Cut method is used

datadatadatadata

Page 15: The measurement of the cosmic ray primary energy spectrum ...personalpages.to.infn.it/~cantoni/elena_cris_2010.pdf · Cosmic Ray International Seminar 2010 University of Torino Istituto

15

 The Constant Intensity Cut Method:  → advantage: independent from MC simulations   → assumption: cosmic rays fall isotropically and flux behaves monotonically with                         primary energy. Then particles with the same frequency                         have got the same energy at different zenith angles

   → fixed integral intensities are chosen   → attenuation curves for each intensity are built   → global fit to all curves applied (2nd  deg. P(secθ))   → for each shower: correction to reference angle is obtained      (θref,ch = 20°; θref,µ = 22°)

datadatadatadata

Page 16: The measurement of the cosmic ray primary energy spectrum ...personalpages.to.infn.it/~cantoni/elena_cris_2010.pdf · Cosmic Ray International Seminar 2010 University of Torino Istituto

16

 Size – Energy calibration (QGSjetII/FLUKA used): → disadvantage: dependent from primary composition assumed in MC simulations    → assumption: dependence E

0 ∝ N

c h , µ

 

αc h

,αµ

Fluctuations bigger than bin size

16

simsim

simsim

Page 17: The measurement of the cosmic ray primary energy spectrum ...personalpages.to.infn.it/~cantoni/elena_cris_2010.pdf · Cosmic Ray International Seminar 2010 University of Torino Istituto

17

 Unfolding procedure (QGSjetII/FLUKA used. H, He, C, Si, Fe in 20% mix): → to reduce effect of fluctuations on the determined energy spectrum    → response matrix R

i j constructed with simulations

 Ri j → probability that event with energy in bin Log[E

r e c(i)] 

          has true energy in bin Log[Et r(j)] 

 

  n

jt r  = Σ

i = 1N R

i j∙n

i e x  with:

   → N total number of bins   → n

i e x  exp number of events 

     corresponding to Log[Er e c

(i)] 

   → njt r  true number of events 

     corresponding to Log[Et r(j)]

   → Σi = 1

N Ri j = 1

 Matrix is smoothed to avoid random fluctuations caused by MC limited statistics 

simsim

Page 18: The measurement of the cosmic ray primary energy spectrum ...personalpages.to.infn.it/~cantoni/elena_cris_2010.pdf · Cosmic Ray International Seminar 2010 University of Torino Istituto

18

 2­dimentional reconstruction of the energy spectrum with the2­dimentional reconstruction of the energy spectrum with the NNc hc h

  ­ ­ NNµµ technique technique

   → with MC simulations (QGSjetII/FLUKA) a formula is obtained to calculate     the primary energy per individual shower on basis of N

c h & N

µ

 → advantage: primary composition dependency minimized      taking into account the mass sensitivity   → model dependency of correction for atmospheric attenuation     ­ 5 different zenith angle intervals analyzed independently and combined after     ­ differences in results   systematic uncertainty→  (1)   

18

simsimsimsim

Page 19: The measurement of the cosmic ray primary energy spectrum ...personalpages.to.infn.it/~cantoni/elena_cris_2010.pdf · Cosmic Ray International Seminar 2010 University of Torino Istituto

19

 Comparison of the reconstructed intensity in different angular bins:   → semi­difference between 1s t  and 5t h  angular bin data points estimates (1): ­ uncertainty on relative energy calibration among angular bins  ­ systematic due to differences in shower attenuation between real and sim. data ­ ~ 10% at all energies, uncertainty on self­consistency of the technique and the model

Page 20: The measurement of the cosmic ray primary energy spectrum ...personalpages.to.infn.it/~cantoni/elena_cris_2010.pdf · Cosmic Ray International Seminar 2010 University of Torino Istituto

20

 Response of the entire procedure checked (using QGSjetII/FLUKA simulations): (also here, reconstructed flux treated with unfolding)

                                                                                → < 10% systematic uncertainty (2)                               

                                                                                 → relative uncertainty                                                                                  

    on energy assignment (3):                                                                                ­ 26% energy resolution (RMS)   at threshold­ < 20% at highest energies                                                                                 

simsim

simsim

Page 21: The measurement of the cosmic ray primary energy spectrum ...personalpages.to.infn.it/~cantoni/elena_cris_2010.pdf · Cosmic Ray International Seminar 2010 University of Torino Istituto

21

 Capability to reconstruct extreme cases (QGSjetII/FLUKA):   → using simulations, a primary composition with an abrupt change      is constructed and the formula is used to reconstruct      the correspondent total flux   → also in cases like this,      the systematic uncertainty of flux_rec / flux_true < 10% (4)

Page 22: The measurement of the cosmic ray primary energy spectrum ...personalpages.to.infn.it/~cantoni/elena_cris_2010.pdf · Cosmic Ray International Seminar 2010 University of Torino Istituto

22

(1)   →(2)   →

(4)   →(5) →

(3)    →

 Table of systematics on the flux cases: (numbered the discussed uncertainties) 

Page 23: The measurement of the cosmic ray primary energy spectrum ...personalpages.to.infn.it/~cantoni/elena_cris_2010.pdf · Cosmic Ray International Seminar 2010 University of Torino Istituto

23

 Hadronic interaction models:    → calibration depends on simulations so other models will change     data interpretation   → to study effects on spectrum method is performed with EPOS 1.99 based     calibration function (left plot) and also using EPOS data as “experimental”      and analyzing them using QGSjetII (right plot)

 ­ EPOS leads to ≈ 10 – 15 % lower flux ­ motivation: EPOS richer in muons and poorer in charged particles   (at KG experimental conditions)

simsim

simsim

Page 24: The measurement of the cosmic ray primary energy spectrum ...personalpages.to.infn.it/~cantoni/elena_cris_2010.pdf · Cosmic Ray International Seminar 2010 University of Torino Istituto

24

 Comparing the different approaches:   → using one observable: large dependence on primary composition.     True spectrum has to be a solution inside the range spanned by two methods   → larger uncertainty from using both observables compensated taking into     account their correlation at individual events and composition dependence     strongly decreased   → relatively heavy composition in the frame of QGSjetII  

syst. band

Page 25: The measurement of the cosmic ray primary energy spectrum ...personalpages.to.infn.it/~cantoni/elena_cris_2010.pdf · Cosmic Ray International Seminar 2010 University of Torino Istituto

25

 Discussion of the result using the residual plot:   → smaller structures under overall power law behavior,      spectrum not describable with single power law ­ over 101 6  eV: concavity expected if rigidity dependence is assumed ­ around 101 7  eV: small break   composition studies on the way!!→ ­ structures reliable independently from interaction model used for analysis 

Page 26: The measurement of the cosmic ray primary energy spectrum ...personalpages.to.infn.it/~cantoni/elena_cris_2010.pdf · Cosmic Ray International Seminar 2010 University of Torino Istituto

26

 Comparison with KASCADE and EAS­TOP at lower energies:   → initial concave part in agreement

Page 27: The measurement of the cosmic ray primary energy spectrum ...personalpages.to.infn.it/~cantoni/elena_cris_2010.pdf · Cosmic Ray International Seminar 2010 University of Torino Istituto

27

 About the break at 101 7  eV:   → Fisher test applied to check incompatibility between break and single power law

   → the two power laws are significantly incompatible with each other 

Page 28: The measurement of the cosmic ray primary energy spectrum ...personalpages.to.infn.it/~cantoni/elena_cris_2010.pdf · Cosmic Ray International Seminar 2010 University of Torino Istituto

28

 Comparison with the other experiments:   → lower energies: agreement with EAS­TOP, KASCADE & c.   → middle energies: bit lower flux than GAMMA, AKENO and YAKUTSK   → highest energies: agreement with HiRes, Auger 

(blue band is total systematic uncertainty) 

Page 29: The measurement of the cosmic ray primary energy spectrum ...personalpages.to.infn.it/~cantoni/elena_cris_2010.pdf · Cosmic Ray International Seminar 2010 University of Torino Istituto

29

 OutlookOutlook

  Composition analysis will be from now crucial to understand origin of spectral structures

 Again different approaches are under study based on  N

c h ­ N

µ and QGSjetII model:

 ­ separation in light and heavy spectra using k parameter ­ KNN technique ­ study of ratio N

µ/N

c h and relative abundances 

   of different primaries in bins of Nc h

 ­ unfolding techinque

Page 30: The measurement of the cosmic ray primary energy spectrum ...personalpages.to.infn.it/~cantoni/elena_cris_2010.pdf · Cosmic Ray International Seminar 2010 University of Torino Istituto

30

 Study of ratio Nµ/N

c h and relative abundances of different primaries in bins of N

c h 

 → data and simulations compared at different arrival directions and energies. With Chi Square Test, the number of mass groups and their relative abundances

  describing fairly the data distributions are found.  

 3 mass groups, light, medium, heavy needed, QGSjetII consisitent with data Analysis repeated on KASCADE as reference is consistent Heavy dominant, but light still needed around 101 7  eV

0º-24º 29º-40º

KASCADE

E. Cantoni et al., Proc ICRC 2009

Page 31: The measurement of the cosmic ray primary energy spectrum ...personalpages.to.infn.it/~cantoni/elena_cris_2010.pdf · Cosmic Ray International Seminar 2010 University of Torino Istituto

31

 ConclusionsConclusions

  KASCADE­Grande main observables shower size and muon size could be  reconstructed with high precision and low systematic uncertainties

 Different methods are applied for the all­particle energy spectrum  reconstruction and compared for cross­checks of: ­ reconstruction ­ systematic uncertainties ­ validity of the hadronic interaction model

 The cosmic ray energy spectrum could be reconstructed in the range  101 6  – 101 8  eV within a 10 – 15 % uncertainty, being based on the hadronic interaction model QGSjetII which shows its intrinsic consistency

 Tests with EPOS show the possibility of a shift in the absolute energy scale, but the use of different models would not change the overall spectral structure

Page 32: The measurement of the cosmic ray primary energy spectrum ...personalpages.to.infn.it/~cantoni/elena_cris_2010.pdf · Cosmic Ray International Seminar 2010 University of Torino Istituto

32

  Regarding the all­particle energy spectrum:  ­ agreement between different reconstruction approaches ­ No single power law, structures at threshold and around 101 7  eV ­ agreement with KASCADE and EAS­TOP at threshold    (and with HiRes and Auger at the highest energies) ­ medium/heavy primary composition preferred assuming QGSjetII

 Bases are put to look for the iron knee and the galactic­to­extragalactic transition features of cosmic rays   work is in progress for → composition studies using different approaches

                                      THANK YOU! THANK YOU!