Titel: Ultra-High-Energy Cosmic Rays: A Fireball Model to resolve the Deficit of Muons in Simulations of Extensive Air Showers
Sprache: Englisch
Autor*in: Manshanden, Julien Pieter Jan
Schlagwörter: Muon deficit; Fireball model; Heitler-Matthews model; Hadronic interaction properties; Cosmic ray mass composition
GND-Schlagwörter: Kosmische StrahlungGND
Pierre-Auger-ObservatoriumGND
MyonGND
LuftschauerGND
HadronwechselwirkungGND
UHECRGND
Erscheinungsdatum: 2021
Tag der mündlichen Prüfung: 2022-02-24
Zusammenfassung: 
Experimental observations of extensive air showers have revealed a deficit of the muon content in their theoretical simulations. This hampers a precise determination of the ultra-high-energy cosmic ray mass composition. We investigate the potential of producing states of dense quark-gluon matter (so-called fireballs) to resolve this muon deficit, which we quantify with data from the Pierre Auger Observatory on the depth of the shower maximum and the number of muons at ground. We adopt a phenomenological fireball model that mimics the formation of a plasma and enhances the strange quark content with respect to current Standard Model predictions. When implementing this model into existing air shower simulation software we find that the formation of a plasma is in tension with data on the electromagnetic longitudinal shower development. Instead, we restrict the fireball model to only enhance the strangeness of Standard Model hadronic interactions. Then for specific forms of the fireball-production probability we obtain a consistent interpretation of the data in terms of the cosmic ray mass composition. Complementing these initial studies with an analytic approach based on the Heitler-Matthews model we find explicit sets of fireball parameters that resolve the muon deficit. Constraints from data on shower-to-shower fluctuations of the muon number require strangeness enhancements also at lower energies. At Tevatron and LHC energies we quantify this as an O(3 − 8)% increase of the average fraction of energy going into hadronic particles compared to predictions from current hadronic interaction models. This direct interpretation of macroscopic Auger data in terms of a microscopic interaction property motivates forward physics experiments at current-generation accelerators.

Experimentalle Beobachtungen von ausgedehnten Luftschauern haben ein Defizit des Myonengehalt im Vergleich zu theoretischen Simulationen aufgedeckt. Dies erschwert die genaue Bestimmung der Massenzusammensetzung ultra-hoch-energetischer kosmischer Strahlung. Wir untersuchen das Potential der Formation dichter Quark-Gluon Materiezuständen (sogenannte Feuerbälle) für die Auflösung dieses Myonendefizits, welche wir mit Daten des Pierre Auger Observatoriums über die Tiefe des Schauermaximums und die Zahl der Myonen auf dem Erdboden quantifizieren. Wir verwenden ein phänomenologisches Feuerballmodell, das die Formation eines Plasmas nachbildet und den Strange-Quark Gehalt im Vergleich zu aktuellen Standardmodellvorhersagen anreichert. Durch die Implementierung dieses Modells in bestehende Luftschauersimulationssoftware sehen wir, dass die Daten über die longitudinale Entwicklung der elektromagnetischen Schauerkomponente der Formation eines Plasmas widersprechen. Stattdessen beschränken wir das Feuerballmodell darauf, dass es ausschließlich eine Strangeness-Anreicherung der hadronischen Wechselwirkungen des Standardmodells darstellt. Für bestimmte Formen der Wahrscheinlichkeit der Feuerball-Formation, ermöglicht dies eine konsistente Interpretation der Daten hinsichtlich der Massenzusammensetzung der kosmischen Strahlung. Diese ersten Untersuchungen ergänzen wir mit einer analytischen Methode, die auf dem Heitler-Matthews Modell basiert. Hierdurch finden wir explizite Reihen von Feuerballparametern, die das Myonendefizit lösen. Einschränkungen basierend auf Datenüber Schauer-zu-Schauer Schwankungen der Myonenzahl erfordern eine Strangeness-Anreicherung auch bei niedrigeren Energien. Bei Tevatron und LHC Energien quantifizieren wir dies als eine O(3−8)% Steigerung des durchschnittlichen, in hadronischen Teilchen gehenden, Energieanteils im Vergleich zu Vorhersagen aktueller Modelle über die hadronische Wechselwirkung. Die direkte Interpretation der makroskopischen Auger Daten in Hinblick auf eine mikroskopische Wechselwirkungseigenschaft motiviert zu Experimenten der Vorwärtsphysik mit Beschleunigern der jetzigen Generation.
URL: https://ediss.sub.uni-hamburg.de/handle/ediss/9531
URN: urn:nbn:de:gbv:18-ediss-99516
Dokumenttyp: Dissertation
Betreuer*in: Sigl, Günter
Enthalten in den Sammlungen:Elektronische Dissertationen und Habilitationen

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