XXXI Reunión Bienal de la RSEF
Granada, 10 de Septiembre del 2007
Eventos inclinados en el
Observatorio Pierre Auger:
espectro energético y
sensibilidad a UHE neutrinos
Inés Valiño y Pedro Facal
(Auger Collaboration)
[email protected]
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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) .
Colorado (USA)
(planeado)
Exposición uniforme:
hemisferios Norte y Sur
Mendoza (Argentina)
Dos técnicas complementarias de detección:
• Detector de superficie (tanques de Cherenkov en agua)
• Detector de fluorescencia
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(en construcción, tomando datos )
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Observatorio Hemisferio Sur
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
3
~3000 km2
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Espejo y cámara del telescopio de
fluorescencia
Unidad del Detector de Superficie
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Cascadas atmosféricas inclinadas
Cascada inclinada

EM halo
• Cascadas con ángulo cenital q ≥ 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.
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• Los muones sufren desviaciones debido al campo geomagnético
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Detección de eventos inclinados
Los tanques Cherenkov son capaces de detectar partículas entrando
en el tanque a cualquier q
SD es eficiente en la detección
eventos inclinados
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
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horizontales
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ESPECTRO ENERGÉTICO
DE EVENTOS INCLINADOS
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GEOMETRIA EN EL PLANO DEL SUELO
DISTRIBUCIÓN LATERAL DE LA SEÑAL
EN EL PLANO DE LA CASCADA
Evento vertical
θ ~ 48°
Ruptura de la simetría radial en el
plano de cascada
Evento inclinado
θ ~ 79°
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Señal (VEM)
CERN Courier
July 25 2006
Simulación MC de un
evento con el mismo
ángulo y energía
Ricardo A. Vázquez
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2 lóbulos en el suelo debido a la desviación de los muones por el campo geomagnético
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Reconstrucción angular
Tiempo de comienzo de las señales
Primera
Última
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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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
Señales en los detectores
Número de muones
Señal (VEM)
Comparación de los mapas de muones con
las señales de los detectores
La normalización del mapa de muones
(N19) es el estimador de la energía
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Niveles de señal del mapa de muones
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Calibración de N19 con EFD : reconstrucción de EFD


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%).
EFD ~ 6 x 1019 eV
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Calibración de N19 con EFD: eventos híbridos inclinados
38 eventos con E > 5 EeV
No hay eventos híbridos con q > 750
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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Espectro energético de eventos inclinados
Pendiente 2.7 ± 0.1
734 eventos
60° < θ < 80°
01/2004 - 02/2007
Sistemático FD (22%)
Incertidumbre calibración (10%)
Exposición 1510 km2 yr sr
(29% of θ<60º)
independiente de E a partir
de la saturación
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100% aceptancia
P. Facal ICRC 2007
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Comparación con el espectro de verticales
θ < 60°
θ > 60°
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NEUTRINOS
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Identificación de cascadas de n
Las cascadas inclinadas inducidas por
hadrones están compuestas en el
suelo por muones + halo EM.
Los neutrinos pueden penetrar
grandes cantidades de materia
generando una cascada cerca del
detector con componente EM.
CLAVE PARA IDENTIFICAR CASCADAS INDUCIDAS POR NEUTRINOS
n:
BÚSQUEDA DE
CASCADAS INCLINADAS CON COMPONENTE EM EN LAS SEÑALES DE LOS DETECTORES.
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Señal (VEM)
Ejemplos de señales en los tanques del SD
Señal extensa en tiempo producida
por la componente electromagnética
Señal (VEM)
Tiempo (ns)
Señal estrecha en tiempo producida
por la componente muónica
Tiempo (ns)
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Tipos de cascadas inducidas por n
Earth-skimming nt
Down-going n
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 nt a t en la Tierra:

Sección eficaz n : CC y NC

Pérdida de energía del t

Desintegración del t
Aceptancia para cascadas inducidas por nt :

Depende de la energía y geometría.

Área del detector en crecimiento.
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Límite superior al flujo de UHE nt
O. Blanch ICRC 2007
dN ν
τ
= KE
2
dE
K = 2 x 10-7 GeV cm-2 s-1 sr-1
90% CL
01/04 – 12/06
El rango de energía del Observatorio
Pierre Auger es adecuado para explorar
neutrinos del GZK
p + gCMB → p → n
Límite conservador: el peor escenario para errores sistemáticos en la aceptancia.
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Neutrinos down-going
Señal electromagnética
LATE
EARLY
Señal muónica
LATE
EARLY
Se observa la atenuación de la
componente EM de la cascada desde
el primer al último tanque en tiempo.
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IDENTIFICACIÓN


Eventos inclinados: q > qmínimo
Señales lentas (componente EM) en al menos los 2 primeros tanques del evento.
EFICIENCIA
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 …
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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
t 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 q
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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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Hybrid Event: FD Reconstruction
Camera track
First -> Last
Longitudinal profile
Fitted Gaisser-Hillas
EFD = 6.1 ·1019 eV
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Incertidumbre en la calibración
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Energy resolution from hybrid events
N19 uncertainties (Total ~ 10%)
- Statistical ~10%
- Shower fluctuations 5% - 15%
- Systematics [Preliminary]

Propagation of sθ 12% @ 80° [Max]

Model and mass dependence of the
EM correction 7% @ 60° [Max]
EFD uncertainties (Total ~ 22%):
33Fluorescence

Fluorescence yield ~ 14%

Calibration ~ 10%

FD reconstruction ~ 10%

Others < 4 %
Detector Uncertainties Dominate
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Trigger & Aperture
Trigger probability as
calculated with the muon
maps.
10 EeV
High Trigger Levels
 T4: selection of physical
events.
 Quality trigger (T5): station
near to the core surrounded
by 6 working stations.
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Trigger saturates at N19=
1
Basic aperture cell
Aperture -> count active
cells
Exposure -> integrate
detector configurations
1.95 km2
Energy independent aperture above N19= 1
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Energy spectrum from SD < 60°
Slope = -2.62 ± 0.03
Expected Observed
Calibration unc. 18%
FD syst. unc. 22%
5165 km2 sr yr ~ 0.8 full Auger year
35
> 1019.6 eV
132 +/- 9
51
> 1020 eV
30 +/- 2.5
2
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neutrinos
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Conversion de neutrino tau a lepton tau
At 1018 eV:
Lint (n) ~ 500 km (θ>95, Earth opaque)
Ldecay (t) ~ 50 km (m, much larger)
LEloss ~ 10 km (1 EeV) (e, much smaller)
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Acceptance calculation
(1) Conversion nt to t in the Earth :
 n cross section: Charged and
Neutral Currents
 t energy losses: bremms., pair
production & nuclear interactions.
 t decay and t weak interactions.
(2) t decay in the atmosphere:
 Account for all the branching ratios
& polarisation.
(TAUOLA Monte Carlo Code)
(3) Shower produced by t 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
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SYSTEMATICS
Source
Uncertainty
MC Simulations
Interactions in Earth
Extensive Air Shower
5%
+20%, -5%
Pierre Auger Observatory
Acceptance
Topography
±
2%
+18%
±
Theoretic knowledge
Theoretic knowledge
Tau Polarisation
Cross Section
Energy Losses
+17%, -10%
+5, -9%
+25%, -10%
Total
+132%, -45%
All contributions
Parton Distribution Function uncertainties at low x
and high Q2 are not taken into account
Worst/Best combination of scenarios leads to
a factor ~3 difference for the flux limit
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SENSITIVITY
Sensitivity ≡ one event per year and decade of energy with the full SD
GZK
TD
AGN
WB
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Eventos inclinados en el Observatorio Pierre Auger