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E.E.E.E.MenichettiMenichettiMenichettiMenichetti

Cosmic Rays at Extreme Energies The Pierre Auger Observatory

Ezio Menichetti

Dip. di Fisica Sperimentale, Universita’ di Torino

INFN, Sez. di Torino

Lecture 3

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E.E.E.E.MenichettiMenichettiMenichettiMenichetti

Very low population density (< 0.1 /km2)

Good atmospheric conditions (clouds, aerosol, light…)

35o S latitude 69o W longitude

≈ 1400 m height

≈ 875 g/cm2

Very flat region “Pampa Amarilla”Malargüe (Argentina)

Geography - I

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E.E.E.E.MenichettiMenichettiMenichettiMenichetti

Geography - II

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E.E.E.E.MenichettiMenichettiMenichettiMenichetti

50 km

Total area ~3000 km2

1600 Surface detectors (“water tanks”)

24 fluorescence telescopes 6 in each of 4 buildings

The South Site

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E.E.E.E.MenichettiMenichettiMenichettiMenichetti

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E.E.E.E.MenichettiMenichettiMenichettiMenichetti

Topography

1500 m

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E.E.E.E.MenichettiMenichettiMenichettiMenichetti

Tank Details

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E.E.E.E.MenichettiMenichettiMenichettiMenichetti

From Design to Reality

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E.E.E.E.MenichettiMenichettiMenichettiMenichetti

PM and HV Voltage Divider

9” PM from PhotonisHV made on board

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E.E.E.E.MenichettiMenichettiMenichettiMenichetti

Mechatronics, Pedestals

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E.E.E.E.MenichettiMenichettiMenichettiMenichetti

Solar Panels, Antennas

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E.E.E.E.MenichettiMenichettiMenichettiMenichetti

SD Muon Calibration

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E.E.E.E.MenichettiMenichettiMenichettiMenichetti

SD Linearity (Low Signals)

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E.E.E.E.MenichettiMenichettiMenichettiMenichetti

SD: Signal ComponentsSimulation

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E.E.E.E.MenichettiMenichettiMenichettiMenichetti

SD FADC Traces

Time (ns)

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E.E.E.E.MenichettiMenichettiMenichettiMenichetti

SD - Hunting the Shower - IConcept: Energy from Lateral Distribution !

1) EAS direction from tank timing, position

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E.E.E.E.MenichettiMenichettiMenichettiMenichetti

SD - Hunting the Shower - II2) Reconstruct LDFFit to empirical formula

3) Get S(1000)Detector signal at ground, 1 km off the core

4) Correct for slant depth→ S38(1000)Constant Intensity Cut→Take 380

Zenith as a Reference

Previous experiments, MCarlo: E = k S38(1000)

AUGER unique capability: Get k constant from FD

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E.E.E.E.MenichettiMenichettiMenichettiMenichetti

Communications Network

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E.E.E.E.MenichettiMenichettiMenichettiMenichetti

SD Aperture

Relative aperture (trigger included) vs. EnergyFull efficiency above 3 EeV

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E.E.E.E.MenichettiMenichettiMenichettiMenichetti

SD – Resolution

S(1000) Zenith Core Position

Several sources of systematic uncertainty

1. VEM calibration2. Timing 3. S(1000) slant depth effects (CIC)

S(1000)>30VEM

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E.E.E.E.MenichettiMenichettiMenichettiMenichetti

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E.E.E.E.MenichettiMenichettiMenichettiMenichetti

ShutterCorrector RingOptical UV Filter

FD – TelescopeFour FD Eyes 6x4=24 Telescopes

MirrorPixel Camera

Light Collectors,440 PMElectronics

Analog Chain, FADC12 bit, 10 MSPS

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E.E.E.E.MenichettiMenichettiMenichettiMenichetti

FD – Telescope

Aperture, UV Filter, Corrector Ring, Pixel Camera, Mirror

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E.E.E.E.MenichettiMenichettiMenichettiMenichetti

Some Details

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E.E.E.E.MenichettiMenichettiMenichettiMenichetti

FD – Electronics

Signal Formation Front-End Electronics

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E.E.E.E.MenichettiMenichettiMenichettiMenichetti

355 nmSteerable laser

optical fiber

SD tank

FD – CalibrationDrum

Diffuse, uniform camera illumination

Central Laser FacilityAUGER “Test Beam”

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E.E.E.E.MenichettiMenichettiMenichettiMenichetti

FD – CorrectionsAtmospheric Monitoring: Density, Transparency, AerosolsSeveral Gadgets:

Horizontal Attenuation MonitorBalloon RadiosondesCLFLIDARPhase Function Monitor

Cerenkov subtractionBased on track geometry, iterative

Unseen Energy Neutrinos, …MCarlo: ~ 10 % @ 10 EeV

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E.E.E.E.MenichettiMenichettiMenichettiMenichetti

FD – From Shower to Data

Pixel signals – CLF~Uniform amplitude

Pixel Signal – EASLongitudinal profile

FADC Traces

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E.E.E.E.MenichettiMenichettiMenichettiMenichetti

FD – Geometry, Energy, Profile

Abs. Calib. ~ 5 γγγγ/ADC countFY ~ 4.2 γγγγ/m Electron Track

But: New results expected soonAIRFLY (LNF, Argonne, ..)FLASH (SLAC)σXmax~ 30 g cm-2

SDP: Time fit…..and its problems for 1-eye evts

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E.E.E.E.MenichettiMenichettiMenichettiMenichetti

Benefits from Hybrid

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E.E.E.E.MenichettiMenichettiMenichettiMenichetti

Hybrid !

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E.E.E.E.MenichettiMenichettiMenichettiMenichetti

Hybrid Reconstruction

SD + FDSD FD

Typical

Top Hybrid…Not included in the sample

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E.E.E.E.MenichettiMenichettiMenichettiMenichetti

Hybrid Performance

From Laser Shots

Effective Aperture

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E.E.E.E.MenichettiMenichettiMenichettiMenichetti

Energy Calibration with HybridsE Systematics Budget (projected)

FDFluorescence Yield 14% (↓ 8%)Abs/Rel Calibration 10%Atmosphere 8% (↓ 6%)Other 12%

Total 22 % (↓ 17%)SD

Detector calibration 10%S38(1000) 8 % Other 7 %

Total 18 %Overall Energy Scale

(Includes Hybrid Statistics) E dependent 30÷÷÷÷50 %Expected to ↓ to 25 ÷ 35%

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E.E.E.E.MenichettiMenichettiMenichettiMenichetti

This statistics: ~0.8 Year of Full Observatory (~7000 km2 sr yr)

Energy: Systematics ~ ±30-50 %; Statistical Error ~ 10%Efficiency =100% above 3 EeVA few high energy events

SD Spectrum

Still investigating systematics(e.g.Energy scale still uncertain)

Preliminary: Data difficult to reconcilewith AGASA

But:Wait for statistics, reducedsystematics

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E.E.E.E.MenichettiMenichettiMenichettiMenichetti

Spectra & Spectra

Upper limits,no statistics

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E.E.E.E.MenichettiMenichettiMenichettiMenichetti

The Hole

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E.E.E.E.MenichettiMenichettiMenichettiMenichetti

Compare to HiRes

Observe:

Same Fluor YieldSame Atmosphere

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E.E.E.E.MenichettiMenichettiMenichettiMenichetti

Anisotropies: Exposure, Rates

Galactic Coordinates; E=1÷5 EeV

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E.E.E.E.MenichettiMenichettiMenichettiMenichetti

Anisotropies: AGASA, SUGARAGASA Angular range: 20°Energy interval (1.0 – 2.5 EeV)

2116 / 2159.5ratio = 0.98 ± 0.02 ±0.0(22% excess projection: 2634 evts, 10-σ effect)

SUGARAngular range 5°Energy interval (0.8 – 3.2 EeV)

286 / 289.7 ratio = 0.98 ± 0.06 ± 0.(85% excess projection: 536 evts, 14.5-σ effect)

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E.E.E.E.MenichettiMenichettiMenichettiMenichetti

Composition

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E.E.E.E.MenichettiMenichettiMenichettiMenichetti

Photon Limit

Method:Xmax from FDσXmax≈ 25 g cm-2 (does not include shower-to-shower fluctuations)

29 eventi

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E.E.E.E.MenichettiMenichettiMenichettiMenichetti

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