Misura dello spettro di energia dei raggi cosmici tra 0.3 EeV e 30 EeV con i dati dell'apparato Infill dell'Osservatorio Pierre Auger

The main goal of this thesis is measuring the energy spectrum of cosmic rays in the transition region between galactic and extra-galactic origin (~ 3 10^17 eV - ~ 3 10^19 eV) with data of the Pierre Auger Observatory, a hybrid experiment that covers an area of approximatively 3000 km^2 in Argentina and allows the flux measurement, observing from the ground the extensive air showers produced in atmosphere by high-energy cosmic rays. The shower detection is performed through two different techniques, employing two types of detectors: the surface detector consists of more than 1600 water-Cherenkov tanks separated from each other by 1500 m, on the other hand the fluorescence detector consists of 27 telescopes that look at the atmosphere above the surface array. The fluorescence telescopes provide a calorimetric measurement of energy for each observed event but have a duty cycle of about 15%; instead, the surface detector has a duty cycle of almost 100% and provide the measurement of the density of particles in showers at ground level and their temporal distribution. Thanks to the detection of ¿hybrid¿ events, the ones that are observed by both the detectors, the energy calibration is direct, almost calorimetric, based on real data and not simulations. In the first part of this thesis only events observed with the Infill array are considered for the spectrum reconstruction. The infill array is a low energy extension of the surface detector that covers an area of about 30 km^2 where detectors are separated from each other of 750 m; it allows the detection of cosmic rays above a lower energy threshold (3 10^17 eV) in order to extend the measurement of the energy spectrum in the transition region. This analysis is applied to events collected between August 2008 and February 2016. The main steps of the energy reconstruction are performed in this work, with the purpose of independently evaluating the systematic uncertainties on the flux, which are essential ingredients for the comparison and combination with other energy spectra. In particular, considering the ansatz of the isotropy of cosmic rays, the constant intensity cut method is performed in order to take into account the attenuation of showers in atmosphere. A parametrization of the attenuation function is estimated with the purpose of correcting the observed signal for the shower inclination. The measured flux of all the events is obtained through the calibration from the hybrid events. This flux is corrected using an unfolding procedure afterwards, in order to take into account the energy resolution of the detector: since the flux as a function of energy decreases following a steep power law, there are more events that migrate from lower to higher energy bins than vice-versa. The Infill energy spectrum is then combined with the one obtained from the main array, so that the measurement of the spectrum is extended to an energy range between 3 10^17 and 10^20 eV. The combination is achieved through a procedure that takes into account the systematic uncertainties of both the fluxes. The combined spectrum covers a wider range with higher event rates at higher energies and allows a comparison with other experiments in the transition region.

L'obbiettivo principale di questa tesi è la misura dello spettro di energia dei raggi cosmici nella regione di transizione da un'origine galattica a una extra-galattica (~ 3 10^17 eV - ~3 10^19 eV) utilizzando i dati del Pierre Auger Observatory, un esperimento ibrido che si estende su una superficie di 3000 km^2 in Argentina e che consente la misura del flusso di raggi cosmici ad altissima energia mediante l'osservazione a terra degli sciami di particelle prodotti in atmosfera. Nell'esperimento vengono utilizzate due diverse tecniche di misura degli sciami. Il rivelatore di superficie, costituito da più di 1600 stazioni water-Cherenkov poste a una distanza di 1500 m l'una dall'altra, ha un duty cycle pari quasi al 100% e consente la misura della densità di particelle dello sciame a terra e della loro distribuzione temporale. Il rivelatore di fluorescenza, costituito da 27 telescopi che osservano la porzione di atmosfera al di sopra del rivelatore di superficie, fornisce una misura calorimetrica dell'energia relativa a ciascun evento considerato, con un duty cycle pari all'incirca al 15%. Grazie alla possibilità di osservare eventi ¿ibridi¿, cioè osservati con entrambi i tipi di rivelatori, la calibrazione in energia è diretta, quasi calorimetrica, basata sui dati e non su simulazioni. In questa tesi sono stati considerati gli eventi osservati tra agosto 2008 e febbraio 2016 dall'apparato Infill, una regione del rivelatore di superficie di circa 30 km^2 in cui le stazioni sono collocate l'una rispetto all'altra a una distanza di 750 m. Questo consente di abbassare la soglia di acquisizione degli eventi a 3 10^17 eV, dunque di estendere la misura dello spettro energetico nella regione di transizione. In questa analisi sono stati sviluppati i principali passaggi che consentono la ricostruzione dell'energia relativa a ciascun evento, con lo scopo di valutare in modo indipendente le incertezze sistematiche sul flusso, che giocano un ruolo fondamentale nel confronto e nella combinazione con altri spettri energetici. In particolare, a partire dall'assunzione di isotropia del flusso, è stato applicato il metodo del taglio a intensità costante (Constant Intensity Cut) per tenere conto dell'attenuazione degli sciami in atmosfera. Si è quindi ricavata una parametrizzazione per la funzione di attenuazione, la quale permette di correggere il segnale osservato per ciascun evento tenendo conto dell'inclinazione dello sciame. Utilizzando la calibrazione fornita dalla misura degli eventi ibridi, è stato quindi ottenuto il flusso misurato di tutti gli eventi. Lo spettro è stato poi corretto tramite una procedura di unfolding per tenere conto della risoluzione in energia del rivelatore: poichè il flusso in funzione dell'energia decresce seguendo una legge esponenziale con una pendenza ripida, la risoluzione finita del rivelatore fa sì che ci siano più eventi la cui energia osservata è più grande di quella vera piuttosto che viceversa. Combinando la misura dello spettro ottenuto con l'apparato Infill con quella ricavata con l'array principale è possibile estendere la misura dello spettro da 3 10^17 a 10^20 eV. La combinazione dei due spettri è stata ottenuta mediante una procedura che tiene conto delle incertezze sistematiche associate ai due flussi. Lo spettro così ricavato copre la regione di transizione con statistica sufficiente per poterne studiare le caratteristiche e eventualmente effettuare dei confronti con altri esperimenti.