Observa(ons of the Ultra-High Energy Sky at the - PowerPoint PPT Presentation

Observa(ons ¡of ¡the ¡ ¡ Ultra-­‑High ¡Energy ¡Sky ¡at ¡the ¡ Pierre ¡Auger ¡Observatory ¡ Segev ¡BenZvi ¡ University ¡of ¡Wisconsin ¡– ¡Madison ¡ for ¡the ¡Pierre ¡Auger ¡Collabora(on ¡ TeVPA ¡2010 ¡ Paris, ¡France ¡ Wednesday, ¡21 ¡July ¡2010 ¡ ¡ 1 ¡

Pierre ¡Auger ¡Observatory ¡ Collabora(on: ¡18 ¡countries, ¡>450 ¡scien(sts ¡ Southern ¡Observatory ¡  ¡1 ¡600 ¡ground ¡sta(ons ¡ Malargüe, ¡AR ¡  ¡Area: ¡3 ¡000 ¡km 2 ¡ Completed ¡– ¡2008 ¡  ¡27 ¡(6 ¡× ¡3 ¡+ ¡9 ¡× ¡1) ¡ fluorescence ¡telescopes ¡ overlook ¡array ¡  ¡Op(mized ¡for ¡ E ¡ > ¡3×10 18 ¡eV ¡ 2 ¡

Pierre ¡Auger ¡Observatory ¡ Northern ¡Observatory : ¡Planned ¡for ¡Lamar, ¡CO ¡ Details ¡in ¡ New ¡Journal ¡of ¡Physics ¡ 12 ¡ (2010) ¡035001 ¡  ¡4 ¡400 ¡ground ¡sta(ons; ¡20 ¡000 ¡km 2 ¡  ¡Op(mized ¡for ¡ E ¡ > ¡3×10 19 ¡eV ¡ 3 ¡

Hybrid ¡Detec(on ¡of ¡Air ¡Showers ¡ • Surface ¡Detector ¡(SD) ¡ – Water ¡Cherenkov ¡tanks ¡ – Detect ¡air ¡shower ¡par(cles ¡ at ¡ground ¡ – Sensi(ve ¡to ¡ lateral ¡ distribu:on ¡ of ¡par(cles ¡ – 100% ¡duty ¡cycle ¡ – Energy: ¡model-­‑dependent ¡ • Fluorescence ¡Detector ¡(FD) ¡ – Observe ¡faint ¡UV ¡emission ¡ in ¡air ¡due ¡to ¡passage ¡of ¡ charged ¡par(cles ¡ – Sensi(ve ¡to ¡ longitudinal ¡ development ¡ of ¡shower ¡ – Direct, ¡calorimetric ¡energy ¡ measurement ¡ Four ¡FDs ¡overlook ¡surface ¡array: ¡each ¡FD ¡ • – 10% ¡-­‑ ¡15% ¡duty ¡cycle ¡ views ¡180° ¡in ¡azimuth ¡and ¡2° ¡– ¡30° ¡(60°) ¡in ¡ eleva(on; ¡provide ¡calibra(on ¡for ¡SD ¡ – Atmospheric ¡monitoring ¡ required ¡ 4 ¡

Water ¡Cherenkov ¡Sta(on ¡ Comms ¡Antenna ¡ Tank: ¡molded ¡plas(c ¡ 12,000 ¡L ¡purified ¡water ¡ Electronics ¡Dome ¡ Three ¡12” ¡PMTs ¡ (40 ¡MHz ¡ADCs) ¡ Solar ¡Panel ¡ 1.5 ¡m ¡ Bahery ¡Bay ¡ 3 ¡m ¡ 5 ¡

Surface ¡Detector ¡Opera(on ¡ • Topological ¡trigger ¡– ¡minimum ¡3 ¡tanks ¡ToT ¡ • Arrival ¡direc(on: ¡hit ¡(ming; ¡< ¡1° ¡resolu(on ¡ • Energy: ¡par(cle ¡density ¡1000 ¡m ¡from ¡core, ¡S(1000) ¡ • Composi(on: ¡signal ¡(me ¡width, ¡shower ¡curvature ¡ 6 ¡

Surface ¡Detector ¡Efficiency ¡ Full ¡efficiency: ¡E ¡= ¡10 18.5 ¡eV ¡ J. ¡Abraham ¡ et ¡al. , ¡NIM ¡ A613 ¡(2010) ¡29 ¡ 7 ¡

Fluorescence ¡Telescopes ¡ PMTs ¡ PMTs ¡ UV ¡Filter ¡ Schmidt ¡Corrector ¡Ring ¡ FD ¡Building ¡ Mirror ¡ 8 ¡

Fluorescence ¡Detector ¡Opera(on ¡ X max ¡ • blah ¡ Energy ¡ • Arrival ¡direc(on: ¡track ¡angle ¡+ ¡hit ¡(mes ¡+ ¡sta(on ¡(me: ¡0.6° ¡res. ¡ ∫ • Energy: ¡from ¡longitudinal ¡profile: ¡ E = ( dE / dX ) dX • Mass ¡Composi(on: ¡from ¡slant ¡depth ¡of ¡shower ¡maximum, ¡ X max ¡ ¡ σ E / E ≈ 8% σ X max < 20 ¡g ¡cm − 2 Δ sys ≈ 22% Δ sys ≈ 15 ¡g ¡cm − 2 ¡ ¡ 9 ¡

Complica(ons: ¡Deploying ¡the ¡Detector ¡ Unlike ¡many ¡detectors ¡(such ¡as ¡IceCube), ¡Auger ¡has ¡not ¡conducted ¡extended ¡ • “science ¡runs” ¡in ¡a ¡single ¡configura(on ¡ Deployment ¡Evolu:on ¡ From ¡ ¡C. ¡Lachaud, ¡Laboratoire ¡APC, ¡Universite ¡́ ¡Paris ¡7 ¡ The ¡detector ¡was ¡operated ¡con(nuously ¡during ¡deployment ¡(2004 ¡– ¡2008). ¡ ¡This ¡ • introduced ¡a ¡non-­‑negligible ¡(me ¡dependence ¡into ¡quan((es ¡that ¡depend ¡on ¡the ¡ detector ¡configura(on ¡(e.g., ¡exposure) ¡ 10 ¡

Calcula(ng ¡Surface ¡Detector ¡Exposure ¡ Single ¡sta(on ¡trigger ¡state ¡is ¡monitored ¡with ¡1-­‑second ¡resolu(on ¡ • Number ¡of ¡ac(ve ¡SD ¡hexagons: ¡ 1 ¡sta(on ¡+ ¡6 ¡nearest ¡neighbors ¡ opera(onal ¡ Full ¡trigger ¡efficiency ¡above ¡10 18.5 ¡eV ¡means ¡instantaneous ¡aperture ¡is ¡ simple ¡ to ¡get: ¡ ¡ • ¡geometric ¡acceptance ¡= ¡single-­‑sta(on ¡acceptance ¡× ¡number ¡of ¡ac(ve ¡hexagons ¡ Below ¡10 18.5 ¡eV, ¡trigger ¡probability ¡is ¡measured ¡from ¡data ¡(> ¡10 6 ¡events) ¡as ¡a ¡func(on ¡ • of ¡signal ¡ S ¡and ¡zenith ¡θ. ¡ ¡Upward-­‑fluctua(on ¡biases ¡are ¡corrected ¡using ¡Monte ¡Carlo ¡ 11 ¡

Modeling ¡the ¡Hybrid ¡Detector ¡State ¡ • FD ¡up(me ¡affected ¡by ¡weather, ¡DAQ ¡efficiencies, ¡and ¡failures ¡ • Time-­‑dependent ¡FD ¡state ¡is ¡recorded ¡at ¡pixel ¡level ¡(10 ¡min ¡ resolu(on): ¡ – True ¡variance, ¡baseline, ¡threshold ¡ • Real ¡weather ¡condi(ons ¡from ¡site ¡measurements: ¡ – Cloud ¡coverage ¡(5 ¡min/1 ¡hour) ¡ – Aerosol ¡density ¡(1 ¡hour) ¡ – T , ¡ p , ¡ u ¡profiles ¡(monthly ¡models) ¡ • Time-­‑dependent ¡MC ¡with ¡fast ¡CONEX ¡simula(ons ¡ – FD ¡state ¡from ¡offline ¡databases ¡ – SD ¡state ¡from ¡ac(ve ¡sta(on ¡list ¡ 12 ¡

Checks: ¡Hybrid ¡Data ¡vs ¡Simula(on ¡ fraction of events fraction of events data data 0.14 0.14 proton proton iron iron 0.12 0.12 0.1 0.1 0.08 0.08 0.06 0.06 0.04 0.04 0.02 0.02 0 0 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0 20 40 60 80 100 � / E Cherenkov light fraction [%] E fraction of events fraction of events 0.07 data data proton proton 0.04 0.06 iron iron 0.05 0.03 0.04 0.02 0.03 0.02 0.01 0.01 0 0 0 500 1000 1500 2000 2500 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 [deg] [m] � � Core-SD 13 ¡

Hybrid ¡Detector ¡Efficiency ¡ • Composi(on ¡dependence ¡of ¡hybrid ¡exposure: ¡<10% ¡above ¡10 18 ¡eV ¡ 14 ¡

“Golden” ¡Hybrid ¡Energy ¡Calibra(on ¡ SD ¡Energy ¡Es(mator ¡ FD ¡Energy ¡ + ¡ = ¡ FD-­‑SD ¡Energy ¡Calibra(on ¡ (17% ¡resolu(on) ¡ C. ¡DiGiulio, ¡ICRC ¡2009 ¡ arXiv:0906.2189 ¡ 15 ¡

Results: ¡ Energy ¡Spectrum ¡ 16 ¡

Energy ¡Spectrum: ¡SD ¡ Jan ¡2004 ¡– ¡Dec ¡2008 ¡ Exposure: ¡12 ¡790 ¡km 2 ¡sr ¡yr ¡ > ¡35 ¡000 ¡events ¡ Change ¡in ¡spectral ¡index ¡at ¡4×10 19 ¡eV ¡ Devia(on ¡from ¡single ¡power ¡law ¡≈ ¡20σ ¡ 17 ¡

Energy ¡Spectrum: ¡Hybrid ¡ Jan ¡2004 ¡– ¡Mar ¡2009 ¡ Exposure ¡from ¡(me-­‑dependent ¡MC ¡ Weather, ¡fiducial ¡volume ¡cuts ¡necessary ¡ 1702 ¡events ¡in ¡total ¡(about ¡5% ¡of ¡SD) ¡ Spectral ¡index ¡hardens ¡at ¡4×10 18 ¡eV ¡ 18 ¡

Combined ¡Energy ¡Spectrum ¡ Details: ¡J. ¡Abraham ¡ et ¡al ., ¡Phys. ¡Leh. ¡B ¡ 685 ¡(2010) ¡239 ¡ σ sys (E) ¡≈ ¡22% ¡ • Hybrid ¡+ ¡SD: ¡extension ¡of ¡energy ¡spectrum ¡to ¡10 18 ¡eV ¡ • Hybrid/SD ¡scale ¡factors ¡es(mated ¡with ¡ML ¡technique ¡ • Corrected ¡for ¡event ¡migra(on ¡due ¡to ¡energy ¡resolu(on ¡(low ¡energies) ¡ 19 ¡

Comparison ¡to ¡Other ¡Measurments ¡ • Auger ¡+ ¡HiRes ¡detectors: ¡significant ¡change ¡in ¡spectral ¡ index ¡above ¡ E ¡ = ¡4×10 19 ¡eV, ¡where ¡GZK ¡suppression ¡of ¡ proton ¡flux ¡is ¡expected ¡ • Details: ¡ PRL ¡ 100 ¡(2008) ¡101101; ¡ PRL ¡ 101 ¡(2008) ¡061101 ¡ • Scaling ¡energies ¡by ¡±20% ¡brings ¡spectra ¡into ¡alignment ¡ 20 ¡

Simple ¡Astrophysical ¡Scenarios ¡ • Source ¡model: ¡ E -­‑β ¡injec(on ¡spectrum, ¡sources ¡ evolve ¡like ¡(1+ z ) m ¡ ¡ 21 ¡

Results: ¡ ¡ Arrival ¡Direc(on ¡Anisotropy ¡ 22 ¡

Anisotropy ¡ AGN ¡posi(on ¡ (color ¡= ¡exposure) ¡ SD ¡exposure ¡limit ¡ (θ max ¡≤ ¡60°) ¡ • SD ¡events ¡compared ¡to ¡nearby ¡AGNs: ¡Science ¡ 318 ¡(5852) ¡938 ¡ • VCV ¡Quasar ¡+ ¡AGN ¡catalog ¡used ¡ • VCV ¡is ¡biased ¡and ¡incomplete; ¡sta(s(cal ¡studies ¡are ¡possible, ¡ but ¡interpreta(on ¡of ¡correla(ons ¡is ¡less ¡clear ¡ • Test ¡parameters: ¡Δ Ψ ¡≤ ¡3.1°, ¡ E SD ¡ ≥ ¡56 ¡EeV, ¡ z ¡≤ ¡0.018 ¡( D ¡≤ ¡75 ¡Mpc) ¡ 23 ¡