Muon Energy Spectrum

Patrick BerghausIceCube Collaboration Meeting

Spring 2009

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

2

Detector Calibration

High Statistics from atmospheric muonsDistributions near the horizon sensitive to:

Zenith Angle ResolutionMisreconstructed Background

High­Energy Events

Systematics discovered in the course of this analysis:See PB talk in Muon Session

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

3

Diffuse Analyses

High­Energy EventsValidity of lepton production modelsCR composition effects

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

4

CR Physics

CR compositionHadron production in nn interactionsAir Shower Models

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

5

Muon Spectrum

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

6

G.D. Barr, T.K. Gaisser, S. Robbins, T. Stanev, astro­ph/0611266

LHC

1 TeVPrimary Nucleon Energy

Pion

 Ene

rgy

Pion Production

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

7

Knee:≃3PeV

Ankle:≃3EeV

2nd Knee:≃40PeV≃­2.7 ≃­3.0

≃­3.2

≃­2.4­2.7

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

8

p

Fe

Gyroradius:

“Leaking Box”

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

9

Composition Change at ≥few PeV

Show

er M

axim

um

Extended Air Shower Measurements: Altitude of Shower Maximum

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

10

Rigidity Mass Constant

poly­gonato(Hoerandel)

astro­ph/0210453

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

11

astro­ph/0505413

CASKADE CompositionMeasurement

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

12

≃­3.7≃­4.0

CR Composition and Muon Energy

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

13

Prompt Muons: Out of Reach!

ConventionalMuons(near horizon)

1PeV

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

14

Source: Dima

minimum ionizing

Calorimetric Response for Bundles

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

15

1.5km(283GeV)

2.5km(1.12TeV) 10km (81°)

20km (85.5°)(38.6TeV)

20km (82°)

10km (74°)(4.88TeV)

Slant Depth

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

16

Slant Depth and Bundle Multiplicity

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

17

zen

“Good” Muons “Bad”

Muons

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

18

0:zen,llh>70° && muonfilter1: Nchan>152:parab<6°3: llhred(2.5)<84: lf,llh<0.2rad5: 100m<Ldir(C)<800m6: 0.15<vlf<0.4 &&abs(smooth)<0.6 

wiki.icecube.wisc.edu/index.php/Muon_Energy_Spectrum/Level_3

L3 Cuts

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

19

Cut 0:  llhred(2.5)<7.25Cut 1:  llhred(2.5)<7.1 parab,zen<2°Cut 2:  llhred(2.5)<7.0 parab,zen<1.4°

wiki.icecube.wisc.edu/index.php/Muon_Energy_Spectrum/Final_Cuts

FinalCut Level

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

20

Slant Depth Zenith Angle

diff

int

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

21

Total Charge

True Zenith

Neutrinos“Reference Cut”:From All­Sky Analysis

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

22

notracksintail

∣True Zenith – Reconstructed Zenith∣

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

23

Credit: Keiichi

CR Energy

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

24

HighestMuon Energyin Shower(at surface)

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

25

Zenith Angle

±0.1%

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

26

measured slant depth

true slant depth

Slant Depth:Correction

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

27

Slant Depth

50 TeV

Track Multiplicityin Detector

Max. MuonSurfaceEnergy

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

28

Slant Depth

±3%

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

29

Data/MC: Slant Depth

1

Angular resolution too lowto go further, better in the future!

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

30

Pulses(Q

tot similar)

High­Multiplicity BundlesTrack 

Multiplicityin Detector

Max. MuonSurfaceEnergy

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

31

Pulses

2.5­3 times more muons for Fe than p

“Elbert­Formula”

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

32

Total Charge

2.5­3 times more muons for Fe than p

“Elbert­Formula”

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

33

Data/MC: Npulse and Qtot

1

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

34

(Qtot / Npulse)

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

35

Surface Energy

Estimator

200 TeV

Track Multiplicityin Detector

Max. MuonSurfaceEnergy

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

36

unit arealinear scale

events per secondlogarithmic scale

Energy of most energetic muon in shower

by ẽ­bin

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

37

Data/MC: ẽ(Npulse) and ẽ(Qtot)

1

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

38

ẽ(pulse)

ẽ(charge)

Data

MC

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

39

Average Chargeper Pulse

Invariant!

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

40

Additional Cut:Average Charge

per Pulse< 3

1

“Balloon”/Droop Correction

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

41

Data/MC: ẽ(Npulse) and ẽ(Qtot)

1

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

42

Data/MC: Npulse and Qtot

1 1

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

43

Final Distribution (1 month IC22)

Expect 10 events in IC22 

for const.comp.

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

44

Ratio Data/MC (1 month IC22)

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

45

Muon Spectrum

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

46

IC22 (1month), PRELIMINARY!

Muon Spectrum

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

47

ConclusionAtmospheric muons are indispensable for

 investigation of detector systematics

Diffuse analysis is very difficult without understanding HE muons

IceCube has huge potential for CR physics

More information:wiki.icecube.wisc.edu/index.php/Muon_Energy_Spectrum 

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

48

Backup Slides

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

49

cogz<­100m: ẽ(Npulse) and ẽ(Qtot)

1 1

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

50

cogz<­100m: Npulse and Qtot

1 1

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

51

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

52

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

53

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

54

  Muon Energy SpectrumPatrick Berghaus

55