Investigación

 

Air shower array at the university of Puebla for the study of cosmic rays

 

J. Cotzomi, O. Martínez, E. Moreno, H. Salazar, and L. Villaseñor*

 

Facultad de Físico-Matemáticas, Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, Apartado Postal 1364, Puebla, Pue., 72000, México

*On leave of absence from Institute of Physics and Mathematics, University of Michoacan, Morelia, Mich., 58040, México

 

Recibido el 18 de febrero de 2004;
aceptado el 15 de octubre de 2004

 

Abstract

We describe the design and performance of an extensive air shower detector array built in the Campus of the University of Puebla (located at 19°N, 90°W, 800 g/cm²) to measure the energy and arrival direction of primary cosmic rays with energies around 10¹⁵ eV, known as the knee of the cosmic ray spectrum. The array consists of 18 liquid scintillator detectors (12 in the first stage), and 3 water Cherenkov detectors (one of 10 m² cross section and two smaller ones of 1.86 m² cross section), distributed in a square grid with a detector spacing of 20 m over an area of 4000 m². In this paper, we discuss the calibration and stability of the array and report on preliminary measurements of the arrival directions and energies of cosmic ray showers detected with the first stage of the array consisting of 12 liquid scintillator and 3 water Cherenkov detectors. Our results show that the array is efficient in detecting primary cosmic rays with energies in the range of 10¹⁴ to 10¹⁶ eV, with an angular resolution lower than 5.5° for zenithal angles in the range of 20° to 60°. We also point out that the capability of water Cherenkov detectors to separate electromagnetic from muon components of extensive air showers. Finally we remark that this facility is also used to train students interested in the field of cosmic rays.

Keywords: Cosmic rays; arrival direction; energy spectrum.

 

Resumen

Se describe el diseño y la operación de un arreglo de detectores de cascadas de rayos cósmicos construido en el campus de la Universidad Autónoma de Puebla (localizado a 19°N, 90°W, 800 g/cm²) para medir la energía y dirección de llegada de rayos cósmicos primarios con energías alrededor de 10¹⁵ eV, conocida como "la rodilla" del espectro de rayos cósmicos. El arreglo consiste en 18 detectores de centellador líquido (12 en la primera etapa) y 3 detectores Cherenkov de agua (uno de sección transversal de 10 m² y dos mas pequeños de 1.86 m² de sección transversal), distribuidos en una red cuadrada con 20 m de espacio entre los detectores sobre una área de 4000 m². En este artículo se discute la calibración y estabilidad de operación del arreglo y se reporta sobre las mediciones preliminares de las direcciones de llegada y de las energías de cascadas de rayos cósmicos observadas con la primera etapa del arreglo que consiste en 12 detectores de centellador líquido y 3 detectores Cherenkov de agua. Los resultados obtenidos indican que el arreglo es eficiente en la observación indirecta de rayos cósmicos primarios con energías dentro del intervalo de 10¹⁴ a 10¹⁶ eV con una resolución angular menor a 5.5° para ángulos zenitales en el rango de 20° a 60°. También se discute la capacidad de los tanques Cherenkov de agua para hacer posible una separación de las componentes electromagnética y muónica de las cascadas de rayos cósmicos. Las instalaciones de este arreglo se usan también para entrenar estudiantes interesados en el área de los rayos cósmicos.

Descriptores: Rayos cósmicos; dirección de llegada; espectro de energía.

 

PACS: 98.70.Sa; 29.40.Ka; 29.40.Mc

 

DESCARGAR ARTÍCULO EN FORMATO PDF

 

Acknowledgments

The authors are grateful to FERMILAB for providing the liquid scintillor and to the ICFA Instrumentation Center in Morelia for providing some of the electronics required by this project. This work was partially supported by BUAP, CIC-UMSNH and CONACyT under projects G32739-E and G38706-E.

 

References

1. S.P. Swordy et al., Astroparticle Physics 18 (2002) 129.         [ Links ]

2. G.V. Kulikov and G.V. Khristiansen, Sov. Phys. JETP 41 (1959) 8.         [ Links ]

3. B. Alessandro et al., Proc. 27th ICRC 1 (2001) 124.         [ Links ]

4. KASCADE Collaboration (Klages H. O. et al.), Nucl. Phys. B (Proc. Suppl.), 52 (1997) 92.         [ Links ]

5. A.A. Petrukhin, Proc. XIth Rencontres de Blois "Frontiers of Matter" (The Gioi Publ., Vietnam, 2001) 401.         [ Links ]

6. National Instruments Catalog (2004).         [ Links ]

7. J.F. Ziegler, Nucl. Instrum and Meths. 191 (1981)419.         [ Links ]

8. M. Alarcon et al., Nucl. Instrum and Meths. in Phys. Res. A 420 (1999) 39.         [ Links ]

9. M. Aglietta et al., Nucl. Instr. and Meth. A 277 (1989) 23.         [ Links ]

10. A.A. Ivanov et al., JETP Lett 69 (1999) 288.         [ Links ]

11. J. Linsley, J. Phys. G 12 (1986) 51.         [ Links ]

12. J. Nishimura, Handbuch der Physik XLVI/2 (1967) 1.         [ Links ]

13. EAS-TOP Collaboration and MACRO Collaboration, Phys Lett B 337 (1994)376.         [ Links ]

14. J. Knapp and D. Heck, Report FZKA KfK 5196B (1993) 8.         [ Links ]

15. L. Villaseñor, Y. Jerónimo, and H. Salazar, Use of Neural Networks to Measure the Muon Contents of EAS Signals in a Water Cherenkov Detector, (Proc. of the 28th International Cosmic Ray Conference), T. Kajita, Y. Asaoka, A. Kawachi, Y. Matsubara and M. Sasaki (eds.), 1, HE Sessions, Universal Academy Press, Inc., Tokyo, Japan, (2003) 93-96.         [ Links ]