Searching for Sources of Ultra High Energy Cosmic Rays with a Clustering Analysis of arrival directions

Abstract

Ultra-høyenergiske kosmiske stråler (UHEKS) er partikler med energier over 10^18 eV, og antas å komme fra ekstragalaktiske kilder. Siden oppdagelsen av kosmiske stråler har man undret seg over hvordan disse partiklene akselereres til slike ekstreme energier, og hvilke kilder som har kraften til å drive denne akselerasjonsprosessen. Det finnes fortsatt ingen bekreftede UHEKS-tilvirkere. UHEKSer ankommer Jorden, og ved å bruke observatorier som tar opp et stort bakkeareal, er det mulig å bestemme deres ankomstretning og energi. På grunn av magnetfeltene som finnes i universet, blir UHEKSenes baner avbøyd når de beveger seg mot Jorden. I denne avhandlingen vil en multiplett-søk bli gjennomført på et sett av simulerte UHECR-ankomstretninger, hvor magnetfeltene er tatt i betraktning. Multiplett-formalismen vil sammenligne ankomstretninger og energier av UHECR med rekonstruerte kilde-retninger, for å se om det er mulig å skille en simulert kilde fra en simulert bakgrunn. I tillegg vil en klyngeanalyse bli utført på de simulerte partiklene ved bruk av de rekonstruerte kilde-retningene. Simuleringsresultatene indikerte at ved lavere deklinasjoner m˚a en kilde være omtrent 18% av den simulerte bakgrunnen for ˚a bli oppdaget. Å anvende denne analysen på et virkelig datasett er mulig. Slik som de mest energiske hendelsene observert av Pierre Auger-observatoriet.

Ultra high energy cosmic rays(UHECR) are particles with energies above 1018eV and are assumed to come from extra-galactic sources [1]. From the discovery of cosmic rays, one has wondered how these particles are accelerated to these extreme energies and which sources have the power to fuel this acceleration process. There are still no confirmed UHECR producers. UHECRs arrive at Earth, and using event data from large-scale observatories makes their arrival direction and energy possible to determine. Due to the magnetic fields inhabiting the Universe, the trajectories of UHECRs are deflected as they propagate to Earth. This thesis will conduct a multiplet search on a set of simulated UHECR arrival directions, where the magnetic fields have been accounted for. The multiplet formalism will compare arrival directions and energies of UHECRs with reconstructed source directions. This will determine if it is possible to distinguish a simulated source from a simulated background. A clustering analysis will also be performed on the simulated cosmic rays using the reconstructed source directions. This simulation showed that a source must be strong to be detected for lower declinations. Applying this analysis to a real dataset, such as the most energetic events observed by the Pierre Auger Observatory, is possible.