The Application of High Precision Timing in the High Resolution Fly's Eye Cosmic Ray Detector
A Thesis Submitted to the
Department of Physics and Mathematical Physics at the
University of Adelaide for the degree of Doctor of Philosophy
by
Christopher Richard Wilkinson B.Sc (Hons.)
May 1998
Contents
1 Cosmic Rays 1
1.1 A History of Cosmic Rays : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1 1.2 Physics of Extremely High Energy Cosmic Rays : : : : : : : : : : : : 8 1.3 Observational Extremely High Energy Cosmic Ray Physics : : : : : : 14
2 An Introduction to Extensive Air Showers 21
2.1 Extensive Air Shower (EAS) Development : : : : : : : : : : : : : : : : 22 2.1.1 The Hadronic Core : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 24 2.1.1.1 Hadronic Interactions : : : : : : : : : : : : : : : : : : 25 2.1.1.2 Secondary Particles: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 30 2.1.2 The Electromagnetic Component : : : : : : : : : : : : : : : : : 32 2.1.2.1 The Lateral Distribution Function : : : : : : : : : : : 34 2.1.2.2 Cerenkov Radiation : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 36 2.1.3 The Muonic Component : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 37 2.2 Observing EAS : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 39 2.2.1 Ground Arrays : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 40 2.2.2 The Atmospheric Fluorescence Detection Technique : : : : : : 42
3 The HiRes Prototype Detector 49
3.0.3 Layout of the Prototype Detectors : : : : : : : : : : : : : : : : 52 3.1 Detector Components : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 55 3.1.1 Mirror Unit : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 55 3.1.1.1 Optics : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 57 3.1.1.2 Photomultiplier Tube Cluster : : : : : : : : : : : : : : 61
I
3.1.1.3 Mirror Electronics : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 62 3.1.2 Central Timing : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 69 3.1.3 Control Software : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 70 3.2 Calibration : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 70 3.2.1 Photomultiplier Tube Response : : : : : : : : : : : : : : : : : : 70 3.2.2 Mirror Reectivity : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 75 3.2.3 Electronics Response : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 76 3.2.4 Calibration of Raw Data : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 78 3.2.5 Atmospheric Monitoring : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 78 3.2.5.1 Xenon Flashers : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 81 3.2.5.2 Fixed YAG Laser system: : : : : : : : : : : : : : : : : 82 3.2.5.3 Laserscope : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 83
4 GPS Clocks and the HiRes Timing System 85
4.1 Overview of the current timing system : : : : : : : : : : : : : : : : : : 86 4.2 GPS Based Clocks : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 88 4.2.1 The Global Positioning System : : : : : : : : : : : : : : : : : : 88 4.2.2 Design of the GPS Clocks : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 89 4.2.2.1 The GPS Receivers : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 89 4.2.2.2 Power Supply : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 93 4.2.2.3 The Clock Circuits : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 93 4.2.3 Installation at HiRes : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 97 4.3 Testing the GPS clocks : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 97 4.3.1 Initial tests with GPS Receivers : : : : : : : : : : : : : : : : : : 98 4.3.1.1 Familiarisation with GPS Receivers : : : : : : : : : : : 98 4.3.1.2 Comparison with a 1Hz Rubidium oscillator : : : : : : 98 4.3.1.3 Initial Position Determination : : : : : : : : : : : : : : 100 4.3.2 Preinstallation Tests : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 103 4.3.2.1 Single Satellite Mode vs Rubidium Oscillator : : : : : 103 4.3.2.2 Co-located Receiver timing comparisons : : : : : : : : 105 4.3.3 Installation Tests : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 110
II
4.3.3.1 Simultaneous Position Integration Tests : : : : : : : : 110 4.3.3.2 Relative Timing Accuracy between the HiRes Sites : : 113 4.4 In-Situ Testing of GPS Clocks : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 116 4.5 Investigating 40MHz Scaler Latch Problems : : : : : : : : : : : : : : : 120 4.5.1 Generating the Data : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 120 4.5.2 Analysis of the matched YAG Laser Events : : : : : : : : : : : 120 4.5.2.1 Investigation of the cause of all times \bad". : : : : : : 124 4.5.2.2 Investigation of the cause of \bad" mirror times : : : : 125 4.5.2.3 Investigation of the cause of \bad" PMT times : : : : 128 4.5.3 Summary : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 130 4.6 Fixing The 40MHz Scaler Latch : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 131 4.7 TDC calibration : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 132
5 EAS Reconstruction 139
5.1 Reconstruction Methods : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 140 5.1.1 Determining the Shower-Detector Plane (SDP) : : : : : : : : : 141 5.1.1.1 Amplitude Weighting : : : : : : : : : : : : : : : : : : 143 5.1.1.2 Amplitude Fitting : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 143 5.1.2 Orientation of EAS within the SDP { Time Fitting : : : : : : : 144 5.1.3 Mono Fitting : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 146 5.1.4 Stereo Fitting : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 147 5.1.5 Timing Fitting : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 147 5.1.6 Stereo-Timing Fitting : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 148 5.1.7 Multi-dimensional Fitting for the EAS Trajectory : : : : : : : : 149 5.1.7.1 The Fitting Process : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 150 5.1.8 Monte Carlo comparison of Fitting Methods : : : : : : : : : : : 151 5.2 Testing reconstruction with Laserscope data : : : : : : : : : : : : : : : 152 5.2.1 Generating the Laserscope Reference data : : : : : : : : : : : : 152 5.2.2 Event Matching : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 154 5.3 Optimising the Reconstruction Program : : : : : : : : : : : : : : : : : 157 5.3.1 Event Preparation : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 157
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5.3.2 Event Selection : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 158 5.3.3 Fitting the Shower Trajectory : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 158 5.3.3.1 Selecting the initial trajectory : : : : : : : : : : : : : : 159 5.3.3.2 Optimising the Fitting Process : : : : : : : : : : : : : 160 5.4 Reconstruction Results : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 171 5.5 Reconstruction Accuracy for HiRes Stage 1.0 : : : : : : : : : : : : : : : 175 5.6 Summary : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 181
6 Analysis of Stereo Observed EAS 183
6.1 Extracting Candidate Cosmic Ray Events : : : : : : : : : : : : : : : : 183 6.1.1 Event Matching : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 184 6.1.2 Rejecting Non Cosmic Ray Events : : : : : : : : : : : : : : : : 184 6.1.3 Rayleigh Filtering : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 187 6.1.4 Rejecting Ground Based Atmospheric Laser/Xenon Flasher Shots188 6.2 Shower Prole Fitting : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 190 6.2.1 Light Production Physics and the Eect of the Atmosphere : : 191 6.2.1.1 Atmospheric Fluorescence light : : : : : : : : : : : : : 191 6.2.1.2 Direct Cerenkov Light : : : : : : : : : : : : : : : : : : 192 6.2.1.3 Rayleigh Scattering: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 193 6.2.1.4 Aerosol (Mie) Scattering : : : : : : : : : : : : : : : : : 193 6.2.1.5 Attenuation : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 194 6.2.1.6 Calculating the Expected Light Signal : : : : : : : : : 195 6.2.1.7 Modifying the Prole Fitter : : : : : : : : : : : : : : : 197 6.3 Aerosol Models : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 198 6.3.1 Quality Controlling : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 204 6.3.2 Comparing the Aerosol Models : : : : : : : : : : : : : : : : : : 208 6.3.2.1 Case Studies : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 212 6.4 The HiRes Prototype Stereo Dataset : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 222 6.4.1 Comparison of Prototype and Stage 1 Results : : : : : : : : : : 225
7 Conclusions and Further Work 231
7.1 Summary and Conclusions : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 231 IV
7.2 Further Work : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 234
A The Global Positioning System 237
A.1 Obtaining a position : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 237 A.2 Coordinate systems : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 240 A.3 Timing Systems. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 242 A.4 Orbits, Ephemerides and the Almanac : : : : : : : : : : : : : : : : : : 242 A.5 Satellite Signals : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 243 A.6 Receivers and Antennas : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 246 A.7 Atmospheric and Relativistic eects : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 246 A.8 Dilution of Precision (DOPS) : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 247 A.9 Selective Availability : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 248 A.9.1 Reducing the eects of Selective Availability : : : : : : : : : : : 249
References 251
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Abstract
This thesis represents work performed by the author on the development of the High Resolution Fly's Eye (HiRes) detector for the study of extremely high energy (> 1018eV) cosmic rays. Chapter 1 begins with an review of this eld. This chapter details the development of the eld, the physics questions we seek to answer, and our current understanding based on experimental and theoretical results. It provides the basis for understanding why detectors such as HiRes are being constructed.
This review leads into chapter 2, which discusses the development of cosmic ray induced extensiveair showers (EAS) and the techniques used to study them. Particular emphasis is placed upon the air uorescence technique utilised by HiRes. The two site HiRes prototype detector is then discussed in detail in chapter 3. This covers the dierent components that form the detector, together with details of the calibration performed to extract useful information from the data.
Chapter 4 discusses the installation and subsequent testing of GPS based clock systems for the two sites that make up the HiRes prototype detector. The entire timing system was checked, and some previously hidden bugs xed. This chapter concludes with work performed on the time to digital converter calibration for the second HiRes site.
The high relative timing accuracy provided by the GPS clocks allowed the use of timing information in programs to reconstruct the arrival directions of cosmic rays.
Chapter 5 covers the development of a program to use geometrical and timing infor- mation to reconstruct EAS viewed by both HiRes sites. This chapter concludes with an evaluation of the likely reconstruction accuracy of the new HiRes (stage 1) detector.
A well reconstructed EAS trajectory is the rst step in the determination of more interesting parameters such as primary particle energy. Chapter 6 covers the collation and analysis of EAS viewed by the both sites of the prototype detector. This includes an evaluation of eects such as the atmosphere, and an estimation of the performance of the new (stage 1) HiRes detector based on results with the prototype detector.
Finally the conclusions from this thesis are summarised and suggestions made for further follow up work.
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Statement of Originality
This thesis contains no material which has been accepted for the award of any other degree or diploma in any university or other tertiary institution and, to the best of my knowledge and belief, contains no material previously published or written by another person, except where due reference has been made in the text.
I give consent to this copy of my thesis, when deposited in the University Library, being available for loan and photocopying.
Christopher Wilkinson
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Acknowledgements
Many people have been instrumental in helping me complete this work. First and foremost I would like to thank my wife, Bridget, for her love, support and understand- ing which has made the last few years so enjoyable (and made the bad bits bearable).
I would also like to thank my supervisors Bruce Dawson and Roger Clay, together with my unocial supervisors, David Bird and Lawrence Wiencke, for their guidance, help, friendship and advice that has made this work possible. Projects such as HiRes are heavily dependent upon good technical support and thus I would like to thank our technicians/engineers, Neville Wild, Jeremy Smith and Stan Thomas for their explanations and advice throughout this work.
Thanks also to Matthew Kidd (and Nathan and Molly), for showing me around SLC and for writing such good code. I would also like to thank the entire HiRes collaboration for running the detector and helping to keep the project on track. I would also like to thank the astrophysics group (both past and present members) at the University of Adelaide. In particular I should mention Ken Simpson, since I helped rope him into this project thus condemning him to hours of both my and Troy's presence in the computing room. Special thanks must also go to Troy Porter, for his friendship and company these last few years.
I would also like to thank the usual Tuesday night crowd { Bridget, Michael, Mykal, and Seana et al. { for providing both friendship and welcome relief from my thesis.
Finally thanks go out to both my family, Mum, Dad, Susan, Philip, Peter and Allison;
and my inlaws, Rick, Anita, David, Justine and Michael. Thank you for excellent support and encouragement throughout this ordeal { I do feel lucky to have such a supportive family network, it has meant a lot to me.
Finally thank you to anyone I've missed and to anyone who has helped me along the way. This work has been supported through the receipt of a University of Adelaide scholarship and travel grant.
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