A Simulation Study of the JEM-EUSO Mission for the Detection of Ultra-High Energy Cosmic Rays

Abstract

In this thesis I present a simulation study on the JEM-EUSO mission performances. The ”Extreme Universe Space Observatory on–board the JEM experimental module” (JEM-EUSO) is a space mission which aims at the detection of extreme-high energy cosmic rays. Target of this mission is the detection of cosmic rays above 1e20 eV by means of the air fluorescence technique from space. This mission, planned to fly between 2017 and 2022, aims at the detection night-time of the fluorescence light produced by extensive air showers in the atmosphere. Such a technique aims at the maximization of the exposure at the extremes of the spectrum. In this thesis the scientific performances of the JEM-EUSO mission have been assessed. More in detail I studied the trigger and reconstruction performances. I therefore introduced in the Euso Simulation & Analysis Framework (ESAF) the trigger algorithms for the background rejection. A systematic study on the trigger efficiency, on the exposure, on the triggered spectra and on the triggered event size has been performed both in nadir and in tilt mode. I furthermore developed and tested the algorithms for the energy and Xmax reconstruction. A wide characterization work has been performed together with an estimation of the systematics affecting the procedure. At last, a comprehensive study on the energy and Xmax performances under several conditions has been also performed. More in detail, the first chapter is devoted to the description of the JEM-EUSO scientific case and of the context within which such a mission will operate. The open questions in the extremely high energetic cosmic rays field will be therefore presented as well as the scientific requirements to be satisfied by JEM-EUSO. The space based fluorescence technique will be then presented in Chapter 2 together with an overview of the JEM-EUSO mission. A brief description of the JEM-EUSO instrument will be also given. Chapter 3 will be devoted to the description of the ESAF software, to its structure and to the physical modelization assumed in it. Chapter 4 is related to the trigger chain description and performances assessment. Eventually, chapters 5 and 6 are devoted to the energy and Xmax reconstruction algorithms. Such algorithms have been therefore characterized and their limits clearly recognized and quantified. The performances within a broad spectrum of conditions have been assessed. The performances have been found to be compliant with the JEM–EUSO requirements.

Im Rahmen dieser Dissertation ist eine Simulationsstudie über die JEM-EUSO Weltraummission für den Nachweis Kosmischer Strahlung durchgeführt worden. Das ”Extreme Universe Space Observatory on-board the JEM experimental module” (JEM-EUSO) beschäftigt sich mit dem extremsten Teil des Spektrums der kosmischen Strahlung (E > 1e20 eV) und zielt auf deren Nachweis aus dem Weltall. Die JEM-EUSO Mission ist für die Jahre 2017-2022 geplant und wird von der internationale Weltraumstation aus die Atmosphäre nachts über überwachen um das Fluoreszenzlicht der Luftschauer nachzuweisen. In dieser Doktorarbeit wird die wissenschaftliche Performance des JEM-EUSO Observatoriums evaluiert. Insbesondere die Trigger und die Rekonstruktion werden präsentiert. Die Trigger Algorithmen für die Hintergrundunterdrückung wurden in die Euso Simulation & Analysis Framework (ESAF) Software implementiert. Eine systematische Studie über die Triggereffizienzen, die Exposition, die getriggerten Spektren und die Datenmenge ist durchgeführt worden. Außerdem wurden Energie und Xmax Algorithmen entwickelt, unter verschiedenen Bedingungen getestet und ihre systematischen Fehler bestimmt. Mit ihnen könnte eine weitreichende Studie über die Energie und Xmax Auflösung durchgeführt werden. Im ersten Kapitel dieser Dissertation wird, nach einer historischen Einleitung, die JEM-EUSO Mission und der Kontext in dem sie stattfinden wird beschrieben. Im zweitem Kapitel wird die Luftschauer Fluoreszenztechnik vorgestellt und eine kurze Einführung in die Technologie des JEM-EUSO Detektors gegeben. Das Kapitel 3 beschäftigt sich mit der Beschreibung der ESAF Software, mit ihrer Struktur und mit den physikalischen Grundlagen. Kapitel 4 enthält eine Beschreibung der Triggerkette und eine Studie über ihre Performance. Im Kapitel 5 und 6 werden Energie und Xmax Rekonstruktion beschrieben. Die Algorithmen werden charakterisiert und ihre Performances unter verschiedenen Bedingungen getestet. In dieser Dissertation wird gezeigt dass die wissenschaftlichen Anforderungen an die JEM-EUSO Mission erfüllt sind.