Li m ites supérieures au flux de photons UHE avec l’observatoire Pierre Auger

1. Limites supérieures au flux de photons UHE avec l’observatoire 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 γ 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. Asymétrie NS pour E>1019.7 Billoir et al. ICRC 2001 Signatures de photons UHE Conversion de γ Effet LPM pour les γ E > 1019 Gerbes peu développées Max de dvlp de la gerbe= • Possible développement • d’une pré-gerbe avant l’entrée • dans l’atmosphère par interaction • avec le champ magnétique terrestre. Baisse de la section efficace γ/air • Modulation de l’effet LPM • Signature sur la direction d’arrivée (coord locales)

5. Xmax Observation d’evenements hybrides

6. Sélection des événements • Restriction (temporaire) aux zones ou l’efficacité du détecteur est totale • Angle azimuthal > 35° • Gerbes de très haute énergie (> 10 EeV) • Critères de qualité de reconstruction FD • Conséquence: Statistique relativement faible pour cette première analyse basée sur 17 événements Choix très conservateur !

7. Simulations de photons: <Xmax> = 1020 g cm-2 , rms = 80 g cm-2 • Le Xmax observe est bien en deça des valeurs attendues pour • des photons Un exemple de traitement: evt #1034377 Combinaison des probabilités Pour les 17 evts • Pour cet evenement Xmax = 744 ± 40 g cm-2θ=49°,1.1*1019 eV

8. Limite supérieure sur la fraction de γ UHE • Limite supérieure de 23% a 95% CL pour E ≥ 1019eV • Confirme et même améliore les estimations précédentes de limites supérieures a 1019 eV Markus Risse

9. ? Utilisation du détecteur de surface Janvier 2004 05 Juin 2005 • Une analyse sur une statistique beaucoup plus large • Possibilité d’une limite supérieure sur le flux de γ très contraignante et à plus hautes énergies Limite sur la fraction α 1/N Analyse très puissante maisplus complexe

10. Proton Photon 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. Rappel Premières observations SD • Même méthode d’analyse que pour les événements hybrides • Possibilité de traitement evt par evt soutenant qualitativement l’analyse précédente pour 7 des événements hybrides selectionnés

12. Reconstruction de l’energie d’un 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 l’energie des photons par des reconstructions « classiques »

13. Distortion de l’énergie des γ avec SD

14. Corriger ... Déconvolution SVD S’en passer... Résultat MC Appui sur un spectre supposé Des solutions à l’étude:

15. Conclusions : • L’ observatoire Pierre Auger semblerait défavoriser la présence de γ UHE au vu d’une analyse préliminaire • Une analyse mettant en jeu le détecteur de surface uniquement est en cours qui permettra d’utiliser 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 γ/air à 1019-20 eV hasardeuses ?

16. En plus...

17. Même coupure appliquée aux photons simulés en supposant des spectres en 1/Ea (a = 1.7 à 3 par pas de 0.1) On teste une forme de spectre donnée 2-Ne pas reposer sur la mesure de E ! En 2004 18 ont des temps de montée > 200ns P.Billoir

18. = 0 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 γ. (PDF de χ2 utilisant des distributions de photons simulées pour les caractéristiques de chaque événement)

19. Utilisation du détecteur Auger pour l’identification de photons • Observation directe du maximum de développement de gerbe (Xmax) • Détection d’événements FD ou hybrides • Observation indirecte en étudiant des variables qui lui sont corrélées • Détection de surface

20. Impact théorique d’une faible fraction de photons : • Défavoriserait certains modèles TD restant en lice, SHDM notamment, constituant un indice fort. • Reste l’incertitude sur le comportement de ces UHECR au travers de leur section efficace • La non observation dans les années à venir d’un excès d’UHECR en provenance du centre galactique s’y ajoutant pourrait conduire a la mort de ces modèles.

21. L’acceptance n’est pas saturée en deçà de 1019eV L’utilisation d’une très large statistique à «basse» énergie sera encore plus complexe ... Autre ecueil : l’acceptance du détecteur

22. Statistiques pour la recherche d’événements rares Toy MC

23. utilisation SVD 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 Reconstruit 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 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 ... • 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@fnal.gov • talks, papers ... at: www.auger.de/members -> photon group

29. SD & primary photons (Leeds workshop) • SD-only upper limit? “Beyond ICRC / towards paper“ • differences between (detector, shower) simulations • photon acceptance; S(1000) -> 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 fraction=50%=const; spectrum index -3; bins of lgE=0.3: 64 dN/dlgE 16 true: 4 32 p 32 g • re-binning of photons vs hadrons required to avoid underestimation of photon fraction ?! • mismatch factor depends on energy, zenith, (preshower: direction) 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 => g fraction=20% ?! 8 p 2 g 2 p lgErec

31. Photon limit with hybrid Xmax • Offline v1r2 list (Bruce & Jose) of reconstructed hybrid events: -> geometry (better with hybrid), energy, Xmax, ∆Xmax • for each event: simulated Xmax distribution for photons • statistical treatment => limit on primary fraction • caveat: selection bias (e.g. near-vertical photons, Xmax below ground): -> restrict to phase space (E, geometry) with photon eff. ~1 • problem: limited event statistics -> compromise: statistics <-> phase space with eff. <1 -> efficiency correction to be applied -> 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) • small statistics => phase space with smaller photon efficiency included • ~10% efficiency correction would bring upper limit from 23% to 25% simulation study in progress !

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

34. Small statistics -> minimum value for limit • Account for limited statistics when ``picking´´ events from primary flux: • For hypothetical photon fraction Fg ,a data set of nmevents contains ng photons with probability • Example: nm = 17, Fg = 17% => q(ng=0) ~ 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: data sample Xmax: individual event 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 • cosmic-ray photon fraction: check non-acceleration models • current upper limits: surface detector experiments • this work: Xmax (fluorescence) in hybrid events 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) 2

39. Photon discrimination with Xmax <Xmax> • at 1019 eV: D<Xmax> (photon, hadron) > 200 g cm-2 primary energy 3

40. Data selection & reconstruction reconstruction based on end-to-end telescope calibration and monitoring of local atmosphere • January 2004 - April 2005 • hybrid events(=> improved geometry fit) • Selection criteria: • Eg >1019 eV, q >35° • Xmax observed, track length >400 g cm-2 • distance < 30 km+f(E), f(E)=10km*(lgE/eV-19.0) • minimum viewing angle >18° • high quality • comparable efficiencies for photon and nuclear primaries • large zenith angles due to deep Xmax of photon primaries • 17 events after cuts (!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 <15 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°, 1.1*1019 eV • event: Xmax = 744 ± 40 g cm-2 • photons: <Xmax> = 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 >1019 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) => 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 nmevents contains ng photons with probability • Example: nm = 30, Fg = 10% => q(ng=0) ~ 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