Phenomenological models inspired by QCD and their use in the analysis of ultra-high energy cosmic rays

Abstract

Částice kosmického záření o energiích nad 1014 eV jsou detekovány převážně nepřímo, pozorováním spršek sekundárních částic, které produkují v at- mosféře. Vícero experimentů ukazuje, že současné modely interakcí při takto vysokých energiích nepopisují takto získaná data dokonale, obzvlášť co se týče množství mionů na zemi. Předkládáme dva modely, které se snaží popis mionové komponenty spršek zlepšit, jeden založený na přidání částic o malé hybnosti v těžišťové soustavě vysokoenergetických hadronických in- terakcí ve spršce, druhý na přidání tzv. temných fotonů do elektromagnet- ické komponenty spršky. Zatímco druhý model nemá žádné pozorovatelné důsledky, první model zlepšuje souhlas mezi předpověďmi simulací and po- zorováním jak pro data z detektoru DELPHI, tak pro měření Observatoře Pierre Augera. Dále popisujeme dalekohled FRAM, zařízení používaná na Observatoři Pierra Augera k monitorování atmosféry, a jeho aplikace při hledání spršek s anomálními profily a při měření obsahu aerosolů v atmosféře, což je klíčová veličina pro analýzu dat z fluorescenčních detektorů. 1

Cosmic rays of energies above 1014 eV are detected mostly indirectly, by observing the extensive air showers they create in the atmosphere. Multiple experiments suggest that the current models of high-energy interactions do not describe the cosmic ray data perfectly, in particular when it comes to the prediction for the number of muons at ground. We present two models aiming to improve the description of the muon component, one based on the addition of particles with small momenta in the local center-of-mass frame of the high-energy hadronic interactions in the shower, the other on the addition of the so-called dark photons to the electromagnetic part of the shower. While we find the latter having no observable consequences, the former improves the agreement between observed and predicted amounts of muons both for the DELPHI cosmic ray data and for the measurements by the Pierre Auger Observatory. We also describe the FRAM telescope, a device used to monitor the atmosphere at the Pierre Auger Observatory, and its applications to the search for anomalous shower profiles and to the measurement of the aerosol content of the atmosphere, which is crucial for the analysis of data obtained by fluorescence detectors. 1