Instruments and Methods for the Radio Detection of High Energy Cosmic Rays [book]

Frank G. Schröder
2012 Springer Theses  
Instruments and Methods for the Radio Detection of High Energy Cosmic Rays Cosmic rays at energies above 10 15 eV cannot be measured directly due to the low flux. Instead, the properties of the primary cosmic ray particles (arrival direction, energy, mass) have to be reconstructed from measurements of secondary particles forming an air shower. For this, digital radio antenna arrays, like LOPES at the Karlsruhe Institute of Technology (KIT), are a relatively new instrument. The radio emission
more » ... e radio emission mainly originates from the deflection of secondary air shower electrons and positrons in the Earth's magnetic field. The radio technique aims at achieving a similar quality in the reconstruction of air shower parameters as the established Cherenkov or fluorescence light detection methods, which in contrast to the radio technique are limited to dark, moonless nights. The present studies aim to advance the air shower radio detection in technological aspects and analysis methods. The developments are mainly applied to LOPES, but also provide a useful set of tools, which will soon be applied on the analysis of first AERA measurements. AERA is a next generation digital radio array at the Pierre Auger Observatory in Argentina. Moreover, this thesis reflects the recent progress in the understanding of the radio emission by air showers. The main results of the studies are: I Zusammenfassung Instrumente und Methoden zur Radiomessung hochenergetischer kosmischer Strahlung Kosmische Strahlung bei Energien 10 15 eV kann aufgrund ihres geringen Flusses nicht direkt gemessen werden. Stattdessen müssen die Eigenschaften der Primärteilchen (Ankunftsrichtung, Energie, Masse) aus der Messung der Sekundärteilchen von Luftschauern rekonstruiert werden. Ein vergleichsweise neues Instrument dafür sind digitale Radioantennenfelder, wie LOPES am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Die Radioemission von Luftschauern entsteht hauptsächlich durch die Ablenkung sekundärer Elektronen und Positronen im Erdmagnetfeld. Ziel der Radiomessmethode ist es, eine vergleichbare Rekonstruktionsqualität wie die etablierten Cherenkov-und Fluoreszensmessmethoden zu erreichen, die im Gegensatz zur Radiomessmethode allerdings auf dunkle, mondlose Nächte begrenzt sind. Diese Arbeit zielt darauf, die Radiomessmethode hinsichtlich Anylsetechniken und technologischer Aspekte weiterzuentwickeln. Die gewonnenen Erkenntnisse werden bereits bei LOPES und bald auch zur Analyse erster AERA-Daten angewendet. AERA ist ein digitales Radiomessfeld der nächsten Generation, das am Pierre-Auger-Observatorium in Argentinien aufgebaut wird. Darüber hinaus konnte diese Arbeit deutliche Fortschritte beim Verständnis der Radioemission erreichen. Die wesentlichen Ergebnisse sind: Appendix 137
doi:10.1007/978-3-642-33660-7 fatcat:6hav5e2kbndcdlayrzqahct3qa