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] om Granada, 10 de Septiembre del 2007
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)
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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ESPECTRO
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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