Limites suprieures au flux de photons UHE avec lobservatoire Pierre Auger

1
Limites supérieures au flux de photons UHE avec
lobservatoire Pierre Auger

• Cécile Roucelle
• Pour la collaboration Auger
• LPNHE-Paris

2
Bottom up Top down
Certains modèles déjà très défavorisés...
Les modèles d'accélération restent limités
Baryons (3/10)
Large fraction de ? attendue
3
Prédictions et limites actuelles pour les
fractions de photons
HP Ave et al. (2000, 2002) A1 Shinozaki et al.
(2002) A2 Risse et al. (2005) SHDM Aloisio et
al. (2004) ZB, TD Sigl (2001)
4
Signatures de photons UHE
Conversion de ?
Effet LPM pour les ? E gt 1019
Gerbes peu développées
Max de dvlp de la gerbe
Possible développement dune pré-gerbe avant
lentrée dans latmosphère par interaction avec
le champ magnétique terrestre.
Baisse de la section efficace ?/air

• Modulation de leffet LPM
• Signature sur la direction darrivée (coord
  locales)

5
Observation devenements hybrides
6
Sélection des événements

• Restriction (temporaire) aux zones ou
  lefficacité du détecteur est totale
• Angle azimuthal gt 35
• Gerbes de très haute énergie (gt 10 EeV)
• Critères de qualité de reconstruction FD
• Conséquence Statistique relativement faible pour
  cette première analyse basée sur 17 événements

Choix très conservateur !
7
Un exemple de traitement evt 1034377
Combinaison des probabilités Pour les 17 evts

• Pour cet evenement Xmax 744 40 g cm-2
  ?49,1.11019 eV

8
Limite supérieure sur la fraction de ? UHE
Markus Risse

• Limite supérieure de 23 a 95 CL pour E 1019eV
• Confirme et même améliore les estimations
  précédentes de limites supérieures a 1019 eV

9
Utilisation du détecteur de surface

• Une analyse sur une statistique beaucoup plus
  large
• Possibilité dune limite supérieure sur le flux
  de ? très contraignante et à plus hautes énergies
  

Janvier 2004 05 Juin 2005
Limite sur la fraction a 1/N
Analyse très puissante mais plus complexe
10
Variables SD pour la recherche de photons
Temps de montée du signal

• Développement tardif
• Composition en muons

µ
signal
Courbure du front de gerbe
temps
signal
temps
11
Premières observations SD

• Même méthode danalyse que pour les événements
  hybrides
• Possibilité de traitement evt par evt soutenant
  qualitativement lanalyse précédente pour 7 des
  événements hybrides selectionnés

12
Reconstruction de lenergie dun photon par le
detecteur de surface

• Rappel une gerbe de photons est plus compacte
  au sol du fait de son développement tardif
• La distribution latérale de la densité de
  particules est différente pour une gerbe de
  photon et varie plus de gerbe à gerbe

Sous-estimation systématique et fluctuations
importantes de lenergie des photons par des
reconstructions  classiques 
13
Distortion de lénergie des ? avec SD
14
Des solutions à létude
15
Conclusions

• L observatoire Pierre Auger semblerait
  défavoriser la présence de ? UHE au vu dune
  analyse préliminaire
• Une analyse mettant en jeu le détecteur de
  surface uniquement est en cours qui permettra
  dutiliser une plus large statistique conduisant
  à un résultat plus ferme et à plus hautes
  énergies...
• ...Mais soyons prudents
• Etude approfondie de la réponse du détecteur a de
  telles gerbes
• Extrapolations des sections efficaces ?/air à
  1019-20 eV hasardeuses ?

16
En plus...
17
2-Ne pas reposer sur la mesure de E !
En 2004 18 ont des temps de montée gt 200ns
P.Billoir
18
Extraction de la limite supérieure sur la
fraction de photons

• Traitement statistique developpé dans
• astro-ph/0502418 (Risse et al.)
• probabilité que les événements
  considérés soient des ?. (PDF de ?2 utilisant
  des distributions de photons simulées pour les
  caractéristiques de chaque événement)

19
Utilisation du détecteur Auger pour
lidentification de photons

• Observation directe du maximum de développement
  de gerbe (Xmax)
• Détection dévénements FD ou hybrides
• Observation indirecte en étudiant des variables
  qui lui sont corrélées
• Détection de surface

20
Impact théorique dune faible fraction de photons

• Défavoriserait certains modèles TD restant en
  lice, SHDM notamment, constituant un indice fort.
• Reste lincertitude sur le comportement de ces
  UHECR au travers de leur section efficace
• La non observation dans les années à venir dun
  excès dUHECR en provenance du centre galactique
  sy ajoutant pourrait conduire a la mort de ces
  modèles.

21
Autre ecueil lacceptance du détecteur

• Lacceptance nest pas saturée en deçà de 1019eV
• Lutilisation dune très large statistique à
  basse énergie sera encore plus complexe ...

22
Statistiques pour la recherche dévénements rares
Toy MC
23
Déconvolution des énergies
Matrice inversée
Matrice donnant la distortion Pour les énergies
reconstruites
SINGULIERE !!!
24
Reconstruction des profils longitudinaux avec FD
Angle de vue initial initial 15, i.e.
Contribution Cerenkov directe importante Reconstru
it pas une procedure iterative convergeante en 4
etapes. Energie estimee 2 EeV
raw
directe
Gaisser-Hillas form
diffusee
Hans Bluemer
25
Markus ICRC
26
Discrimination power of SD observables

• in some events, standard SD reconstruction
  possible e.g.
• rise time of detector signal at 1000 m core
  distance
• curvature of shower front
• observed values below photon prediction
• independent confirmation photon primary unlikely

10
27
Upper limit on the primary photon fraction from
the Pierre Auger Observatory

• introduction, some details, to do (10-15 min)
• ICRC talk (10 min ?!)
• comments ...
• (if time beyond the ICRC (5 min) )

28
Towards Auger photon fraction

• November 2004 prelim. studies
• end of March 2005 go for it!
• April 19-22 Leeds photon meeting
• May 20...23 draft manuscript
• June 30 ICRC paper deadline
• until June 30 finalizing num. value might
  change
• collaborative hybrid effort!
• mailing list auger_photon_at_fnal.gov
• talks, papers ... at www.auger.de/members -gt
  photon group

Cecile, Dave, Bruce, Michael, Analisa,
Jean-Christophe, Chris, Katsushi, Pierre, Jose,
Ralph, Henryk, Alan, Miguel, Gilles, Serguei,
Dmitri, Paul, Markus, Piotrek, Arun, Sylvie,
Ralf, Min, Dave, Johannes, Fabian, Paul ...

29
SD primary photons (Leeds workshop)

• SD-only upper limit? Beyond ICRC / towards
  paper
• differences between (detector, shower)
  simulations
• photon acceptance S(1000) -gt energy mismatch
• ICRC
• discrimination power of SD observables
• support for hybrid-Xmax limit
• Sub-tasks
• SD data (A. Mariazzi, P. Billoir)
• SD simulation (D. Barnhill)
• Energy mismatch, statistical method (C. Roucelle,
  J.-C. Hamilton)

30
Energy mismatch and derivation of limit
assume g fraction50const spectrum index -3
bins of lgE0.3
64
dN/dlgE
16
true
4
32 p 32 g
8 p 8 g
2 p 2 g
now reconstruct photon energy factor 2
smaller than proton energy
lgE
factor 2
dN/dlgEr

40
10
reconstructed
2
32 p 8 g
gt g fraction20 ?!
8 p 2 g
2 p
lgErec

• re-binning of photons vs hadrons required to
  avoid underestimation of photon fraction ?!
• mismatch factor depends on energy, zenith,
  (preshower direction)

31
Photon limit with hybrid Xmax

• Offline v1r2 list (Bruce Jose) of reconstructed
  hybrid events -gt geometry (better
  with hybrid), energy, Xmax, ?Xmax
• for each event simulated Xmax distribution for
  photons
• statistical treatment gt limit on primary
  fraction
• caveat selection bias (e.g. near-vertical
  photons, Xmax below ground) -gt restrict
  to phase space (E, geometry) with photon eff. 1
• problem limited event statistics
  
  -gt compromise statistics lt-gt phase space with
  eff. lt1 -gt efficiency
  correction to be applied
  -gt to do
  re-check compromise apply correction include
  new data
• simulation uncertainty extrapolation of
  photonucl. cross-section
• statistical method given in astro-ph/0502418

32
Acceptance of photon to nuclear primaries
(Michael Unger)
simulation study in progress !

• small statistics gt phase space with smaller
  photon efficiency included
• 10 efficiency correction would bring upper
  limit from 23 to 25

33
Uncertainty from hadronic interactions
(i.e. photonuclear cross-section (we use PDG)
hadronic models)
this affects Xmax and muons! QGSJET01 seems
conservative choice
note predictions will slightly change -gt
update by Dmitri Semikoz

• this uncertainty exists also for previous upper
  limits
• now (ICRC) OK compare to existing limits
• later (if very small limits / ruling-out of
  models attempted
• detailed study required quantify systematics

34
Small statistics -gt minimum value for limit

• Account for limited statistics when picking
  events from primary flux
• For hypothetical photon fraction Fg , a data set
  of nm events contains ng photons with
  probability
• Example nm 17, Fg 17 gt q(ng0)
  5
• 5 probability, that set of 17 events contains no
  photon at all for Fg 17
• minimum possible value for photon upper limit at
  95 CL 17
• In general, we have to sum over all possibilities
  of having ng 0...nm photons in the data set

35

• 17 profiles from hybrid reconstruction (Bruce,
  Jose)

36
ICRC talk

• already now compete well with (improve) existing
  limits
• demonstrate discrimination power of SD
  observables
• this is only the very beginning!

data selection

Xmax as observable
Xmax uncertainty
title
motivation
simulation
Xmax individual event
Xmax data sample
upper limit
discrim. power SD
summary outlook
37
Upper limit on the primary photon fraction from
the Pierre Auger ObservatoryThe Pierre Auger
Collaborationpresented by Markus
RisseForschungszentrum Karlsruhe,
GermanyInstitute of Nuclear Physics PAN, Kraków,
Poland

• Data simulation
• Upper limit from Xmax in hybrid events
• Discrimination power of surface detector
  observables

1
38
Motivation
HP Ave et al. (2000, 2002) A1 Shinozaki et al.
(2002) A2 Risse et al. (2005) SHDM Aloisio et
al. (2004) ZB, TD Sigl (2001)

• cosmic-ray photon fraction check
  non-acceleration models
• current upper limits surface detector
  experiments
• this work Xmax (fluorescence) in hybrid events

2
39
Photon discrimination with Xmax
ltXmaxgt

primary energy

• at 1019 eV DltXmaxgt (photon, hadron) gt 200 g
  cm-2

3
40
Data selection reconstruction

• January 2004 - April 2005
• hybrid events (gt improved geometry fit)
• Selection criteria
• Eg gt1019 eV, q gt35
• Xmax observed, track length gt400 g cm-2
• distance lt 30 kmf(E), f(E)10km(lgE/eV-19.0)
• minimum viewing angle gt18
• high quality
• comparable efficiencies for photon and nuclear
  primaries
• large zenith angles due to deep Xmax of photon
  primaries
• 17 events after cuts

reconstruction based on end-to-end
telescope calibration and monitoring of local
atmosphere

(!here efficiency corr. would be stated!)
4
41
Xmax uncertainty

• main contributions (vary from event to event)
• profile fit
• atmospheric conditions
• Cherenkov subtraction
• uncertainty in reconstructed geometry and energy
• each in general lt15 g cm-2
• total Xmax uncertainty 40 g cm-2 (conservative)
• well below typical photon shower fluctuations
• analysis not limited by measurement uncertainty

5
42
Primary photon simulation

• CORSIKA 6.2 PRESHOWER
• photonuclear cross-section Part. Data Group
  extrapolation
• QGSJET 01
• for each measured event, 100 primary photon
  simulations
• Xmax distribution expected for photons vs
  observed Xmax

6
43
Example
Event 49, 1.11019 eV

• event Xmax 744 40 g cm-2
• photons ltXmaxgt 1020 g cm-2 , rms 80 g cm-2
• observed Xmax well below photon expectation

7
44
Data sample Expected vs observed Xmax

• if (part of) events were photons, they should
  fluctuate around the plotted line
• photon Xmax values 2-3 stand. dev. larger than
  observed
• derivation of upper limit on photon fraction
• stat. method Risse et al., astro-ph/0502418
  also poster ICRC-xxx

8
45
Upper limit

• 23 upper limit (95 CL) on cosmic-ray photon
  fraction
• confirms and improves previous limits above 1019
  eV

9
46
Discrimination power of SD observables

• in some events, standard SD reconstruction
  possible e.g.
• rise time of detector signal at 1000 m core
  distance
• curvature of shower front
• observed values below photon prediction
• independent confirmation photon primary unlikely

10
47
Summary Outlook

• 23 upper limit (95 CL) on photon fraction
  gt1019 eV
• based on Xmax in hybrid events
• improving previous upper limits
• future hybrid statistics factor 10 larger
  within 2 years
• discrimination power from SD observables
• independent check on photon primaries
• SD-only upper limit
• factor 10 more events than hybrid
• caveat photon acceptance
• Photonuclear cross-section extrapolation
• systematic uncertainty to all existing photon
  limits

11
48
Beyond the ICRC

• in September groups provide written summary of
  their analysis status
• sections for lengthy GAP note
• basis for journal publication
• last Tuesday photon analysis update (C.
  Roucelle, P.Billoir, D. Barnhill, S.
  Dagoret-Campange, V. de Souza, D. Badagnani, D.
  Semikoz)
• refinement of statist. tools, exploit further SD
  obs., simulation comparisons differences vanish
  / start being understood GZK photons
• energy mismatch photon/hadron analyses that ...
• (i) need correction (ii) avoid problem (iii)
  make use of it
• statistical tools for large event statistics
• studies on photonuclear cross-section
• toy analysis simulated data sample with unkown
  photon fraction

49
Statistical treatment

• Analysis of each individual event
• Simulation of 100 photon showers for particular
  event geometry and energy (CORSIKA PRESHOWER)
  gt simulated Xmax distribution
• Calculation of chi2 quantity for each event j
• probability that
  photon-initiated showers yield
  chi2- values larger/equal to
  measured one
• Aim derivation of limit on photon fraction by
  combining individual showers

50
Statistical treatment (2)

• Account for limited statistics when picking
  events from primary flux
• For hypothetical photon fraction Fg , a data set
  of nm events contains ng photons with
  probability
• Example nm 30, Fg 10 gt q(ng0)
  5
• 5 probability, that set of 30 events contains no
  photon at all for Fg 10
• minimum possible value for photon upper limit at
  95 CL 10
• In general, we have to sum over all possibilities
  of having ng 0...nm photons in the data set

51
Statistical treatment (3)
astro-ph/0502418

• chance probability for hypothetical Fg to get c2
  values than found in data
• probability that ...
• with confidence 1- P(Fg ) , photon fractions
  Fg can be rejected

... ng photons yield c2 values than in data
... ng-nm non-photons yield c2 values than
in data
... data set contains ng photons
are set to unity (no test on non-photons)
take ng most photon-like looking events gt
is minimal determine
with MC technique
(non-Gaussian fluct.!)