Mohamed Ismaiel

Kosmische straling bestaat uit hoogenergetische deeltjes, voornamelijk protonen en zwaardere atoomkernen, die de aarde voortdurend vanuit de ruimte bereiken. De meest energetische deeltjes, met energie¨en boven 1018 eV, worden ultrahoge-energie kosmische straling genoemd. Hoewel duidelijk is dat deze deeltjes grotendeels van buiten ons Melkwegstelsel afkomstig zijn, blijven hun bronnen en versnellingsmechanismen grotendeels onbekend. Omdat geladen deeltjes worden afgebogen door galactische en extragalactische magneetvelden, is hun aankomstrichting op aarde moeilijk rechtstreeks te herleiden naar hun bron.

Ultrahoge-energie fotonen vormen daarom een bijzonder waardevol alternatief. Als elektrisch neutrale deeltjes worden zij niet door magneetvelden afgebogen en kunnen zij, in principe, direct terugwijzen naar hun productieplaats. Daarnaast bieden zij een gevoelige toets voor modellen van kosmische-stralingsbronnen, propagatie-effecten en mogelijke nieuwe natuurkunde. Tot nu toe zijn zulke fotonen echter niet overtuigend waargenomen, waardoor een hogere detectiegevoe ligheid essentieel is.

Wanneer een kosmisch deeltje de atmosfeer binnendringt, veroorzaakt het een uitgebreide lucht douche. Hadronische douches bevatten zowel een elektromagnetische component als veel muo nen, terwijl foton-ge¨ınduceerde douches vooral elektromagnetisch zijn en veel minder muonen bevatten. Dit verschil vormt de basis voor foton-hadron-scheiding. Bij grote zenithoeken wordt de elektromagnetische component echter grotendeels geabsorbeerd voordat zij de grond bereikt. Water-Cherenkovdetectoren meten dan vooral muonen, waardoor fotondouches zwakke signalen geven. Radiostraling, geproduceerd door de elektromagnetische component, plant zich daar entegen grotendeels ongehinderd door de atmosfeer voort. Radiodetectie is daarom bijzonder geschikt voor sterk hellende luchtdouches.

Dit proefschrift onderzoekt hoe de combinatie van de Water-Cherenkovdetectoren en de Ra diodetector van AugerPrime kan worden gebruikt in de zoektocht naar ultrahoge-energie foto nen. De Radiodetector bestaat uit ongeveer 1660 antennes die gevoelig zijn voor radiostraling tussen 30 en 80 MHz. Door de muongevoelige Water-Cherenkovdetectoren te combineren met de elektromagnetisch gevoelige Radiodetector ontstaat een hybride meetmethode waarmee foton ge¨ınduceerde douches beter kunnen worden onderscheiden van de veel talrijkere hadronische achtergrond.

Een belangrijk onderdeel van dit werk is de ingebruikname en kwaliteitsbewaking van de Ra diodetector. Hiervoor is het Monitoring Radio Detector-systeem, MoRD, ontwikkeld. Dit sys teem volgt de toestand van de radiostations en helpt hardwareproblemen, foutieve aansluitin gen en veranderingen in antenneori¨entatie te identificeren. Daarnaast zijn reconstructie- en kwaliteitsselecties ontwikkeld om betrouwbare radiogebeurtenissen te selecteren, onder meer op basis van signaal-ruisverhouding, pulsvorm, polarisatie, laterale signaalverdeling en overeen stemming tussen radio- en WCD-richting.

Met simulaties is aangetoond dat de hybride combinatie van WCD en RD de gevoeligheid voor fotondouches bij grote zenithoeken aanzienlijk vergroot. De centrale discriminatievariabele is het verschil tussen de energie gereconstrueerd met de Water-Cherenkovdetectoren en die met de Radiodetector. Omdat fotondouches weinig muonen bevatten, wijkt de verhouding tussen EWCD en ERD karakteristiek af van die van hadronische douches. Na correctie voor trends in energie en zenithoek levert deze grootheid een eenvoudige en transparante foton-hadron scheiding.

Ten slotte is een raamwerk opgesteld voor toepassing op echte data, inclusief blootstellings berekeningen en een geblindeerde analyse met een burn sample ter validatie. Samenvattend laat dit proefschrift zien dat de hybride combinatie van de Water-Cherenkovdetectoren en de Radiodetector van AugerPrime een krachtig nieuw instrument vormt voor de zoektocht naar ultrahoge-energie fotonen bij grote zenithoeken.