Nanosecond-level time synchronization of autonomous radio detector stations for extensive air showers

A. Aab, P. Abreu, M. Aglietta, E. J. Ahn, I. Al Samarai, I. F.M. Albuquerque, I. Allekotte, P. Allison, A. Almela, J. Alvarez Castillo, J. Alvarez-Muñiz, R. Alves Batista, M. Ambrosio, A. Aminaei, G. A. Anastasi, L. Anchordoqui, S. Andringa, C. Aramo, F. Arqueros, N. ArseneH. Asorey, P. Assis, J. Aublin, G. Avila, N. Awal, A. M. Badescu, C. Baus, J. J. Beatty, K. H. Becker, J. A. Bellido, C. Berat, M. E. Bertaina, X. Bertou, P. L. Biermann, P. Billoir, S. G. Blaess, A. Blanco, M. Blanco, J. Blazek, C. Bleve, H. Blümer, M. Bohácová, D. Boncioli, C. Bonifazi, N. Borodai, J. Brack, I. Brancus, T. Bretz, A. Bridgeman, P. Brogueira, P. Buchholz, A. Bueno, S. Buitink, M. Buscemi, K. S. Caballero-Mora, B. Caccianiga, L. Caccianiga, M. Candusso, L. Caramete, R. Caruso, A. Castellina, G. Cataldi, L. Cazon, R. Cester, A. G. Chavez, A. Chiavassa, J. A. Chinellato, J. Chudoba, M. Cilmo, R. W. Clay, G. Cocciolo, R. Colalillo, A. Coleman, L. Collica, M. R. Coluccia, R. Conceição, F. Contreras, M. J. Cooper, A. Cordier, S. Coutu, C. E. Covault, J. Cronin, R. Dallier, B. Daniel, S. Dasso, K. Daumiller, B. R. Dawson, R. M. De Almeida, S. J. De Jong, G. De Mauro, J. R.T. De Mello Neto, I. De Mitri, J. De Oliveira, V. De Souza, L. Del Peral, O. Deligny, N. Dhital, C. Di Giulio, A. Di Matteo, J. C. Diaz, M. L. Díaz Castro, F. Diogo, C. Dobrigkeit, W. Docters, J. C. D'Olivo, A. Dorofeev, Q. Dorosti Hasankiadeh, R. C. Dos Anjos, M. T. Dova, J. Ebr, R. Engel, M. Erdmann, M. Erfani, C. O. Escobar, J. Eser, J. Espadanal, A. Etchegoyen, H. Falcke, K. Fang, G. Farrar, A. C. Fauth, N. Fazzini, A. P. Ferguson, B. Fick, J. M. Figueira, A. Filevich, A. Filipcic, O. Fratu, M. M. Freire, T. Fujii, B. García, D. García-Gámez, D. Garcia-Pinto, F. Gate, H. Gemmeke, A. Gherghel-Lascu, P. L. Ghia, U. Giaccari, M. Giammarchi, M. Giller, D. Glas, C. Glaser, H. Glass, G. Golup, M. Gómez Berisso, P. F. Gómez Vitale, N. González, B. Gookin, J. Gordon, A. Gorgi, P. Gorham, P. Gouffon, N. Griffith, A. F. Grillo, T. D. Grubb, F. Guarino, G. P. Guedes, M. R. Hampel, P. Hansen, D. Harari, T. A. Harrison, S. Hartmann, J. L. Harton, A. Haungs, T. Hebbeker, D. Heck, P. Heimann, A. E. Hervé, G. C. Hill, C. Hojvat, N. Hollon, E. Holt, P. Homola, J. R. Hörandel, P. Horvath, M. Hrabovský, D. Huber, T. Huege, A. Insolia, P. G. Isar, I. Jandt, S. Jansen, C. Jarne, J. A. Johnsen, M. Josebachuili, A. Kääpä, O. Kambeitz, K. H. Kampert, P. Kasper, I. Katkov, B. Keilhauer, E. Kemp, R. M. Kieckhafer, H. O. Klages, M. Kleifges, J. Kleinfeller, R. Krause, N. Krohm, D. Kuempel, G. Kukec Mezek, N. Kunka, A. W. Kuotb Awad, D. LaHurd, A. Lang, L. Latronico, R. Lauer, M. Lauscher, P. Lautridou, S. Le Coz, D. Lebrun, P. Lebrun, M. A. Leigui De Oliveira, A. Letessier-Selvon, I. Lhenry-Yvon, K. Link, L. Lopes, R. López, A. López Casado, K. Louedec, A. Lucero, M. Malacari, M. Mallamaci, J. Maller, D. Mandat, P. Mantsch, A. G. Mariazzi, V. Marin, I. C. Maris, G. Marsella, D. Martello, H. Martinez, O. Martínez Bravo, D. Martraire, J. J. Masías Meza, H. J. Mathes, S. Mathys, J. Matthews, J. A. J. Matthews, G. Matthiae, D. Maurizio, E. Mayotte, P. O. Mazur, C. Medina, G. Medina-Tanco, R. Meissner, V. B. B. Mello, D. Melo, A. Menshikov, S. Messina, M. I. Micheletti, L. Middendorf, I. A. Minaya, L. Miramonti, B. Mitrica, L. Molina-Bueno, S. Mollerach, F. Montanet, C. Morello, M. Mostafá, C. A. Moura, G. Müller, M. A. Muller, S. Müller, S. Navas, P. Necesal, L. Nellen, A. Nelles, J. Neuser, P. H. Nguyen, M. Niculescu-Oglinzanu, M. Niechciol, L. Niemietz, T. Niggemann, D. Nitz, D. Nosek, V. Novotny, L. Nožka, L. A. Núñez, L. Ochilo, F. Oikonomou, A. Olinto, N. Pacheco, D. Pakk Selmi-Dei, M. Palatka, J. Pallotta, P. Papenbreer, G. Parente, A. Parra, T. Paul, M. Pech, J. Pękala, R. Pelayo, I. M. Pepe, L. Perrone, E. Petermann, C. Peters, S. Petrera, Y. Petrov, J. Phuntsok, R. Piegaia, T. Pierog, P. Pieroni, M. Pimenta, V. Pirronello, M. Platino, M. Plum, A. Porcelli, C. Porowski, R. R. Prado, P. Privitera, M. Prouza, E. J. Quel, S. Querchfeld, S. Quinn, J. Rautenberg, O. Ravel, D. Ravignani, D. Reinert, B. Revenu, J. Ridky, M. Risse, P. Ristori, V. Rizi, W. Rodrigues De Carvalho, J. Rodriguez Rojo, M. D. Rodríguez-Frías, D. Rogozin, J. Rosado, M. Roth, E. Roulet, A. C. Rovero, S. J. Saffi, A. Saftoiu, H. Salazar, A. Saleh, F. Salesa Greus, G. Salina, J. D. Sanabria Gomez, F. Sánchez, P. Sanchez-Lucas, E. M. Santos, E. Santos, F. Sarazin, B. Sarkar, R. Sarmento, C. Sarmiento-Cano, R. Sato, C. Scarso, M. Schauer, V. Scherini, H. Schieler, D. Schmidt, O. Scholten, H. Schoorlemmer, P. Schovánek, F. G. Schröder, A. Schulz, J. Schulz, J. Schumacher, S. J. Sciutto, A. Segreto, M. Settimo, A. Shadkam, R. C. Shellard, G. Sigl, O. Sima, A. Smialkowski, R. Šmída, G. R. Snow, P. Sommers, S. Sonntag, J. Sorokin, R. Squartini, Y. N. Srivastava, D. Stanca, S. Stanic, J. Stapleton, J. Stasielak, M. Stephan, A. Stutz, F. Suarez, M. Suarez Durán, T. Suomijärvi, A. D. Supanitsky, M. S. Sutherland, J. Swain, Z. Szadkowski, O. A. Taborda, A. Tapia, A. Tepe, V. M. Theodoro, C. Timmermans, C. J. Todero Peixoto, G. Toma, L. Tomankova, B. Tomé, A. Tonachini, G. Torralba Elipe, D. Torres Machado, P. Travnicek, M. Trini, R. Ulrich, M. Unger, M. Urban, J. F. Valdés Galicia, I. Valiño, L. Valore, G. Van Aar, P. Van Bodegom, A. M. Van Den Berg, S. Van Velzen, A. Van Vliet, E. Varela, B. Vargas Cárdenas, G. Varner, R. Vasquez, J. R. Vázquez, R. A. Vázquez, D. Veberic, V. Verzi, J. Vicha, M. Videla, L. Villaseñor, B. Vlcek, S. Vorobiov, H. Wahlberg, O. Wainberg, D. Walz, A. A. Watson, M. Weber, K. Weidenhaupt, A. Weindl, F. Werner, A. Widom, L. Wiencke, H. Wilczynski, T. Winchen, D. Wittkowski, B. Wundheiler, S. Wykes, L. Yang, T. Yapici, A. Yushkov, E. Zas, D. Zavrtanik, M. Zavrtanik, A. Zepeda, B. Zimmermann, M. Ziolkowski, F. Zuccarello

    Research output: Contribution to journalArticle

    Abstract

    To exploit the full potential of radio measurements of cosmic-ray air showers at MHz frequencies, a detector timing synchronization within 1 ns is needed. Large distributed radio detector arrays such as the Auger Engineering Radio Array (AERA) rely on timing via the Global Positioning System (GPS) for the synchronization of individual detector station clocks. Unfortunately, GPS timing is expected to have an accuracy no better than about 5 ns. In practice, in particular in AERA, the GPS clocks exhibit drifts on the order of tens of ns. We developed a technique to correct for the GPS drifts, and an independent method is used to cross-check that indeed we reach a nanosecond-scale timing accuracy by this correction. First, we operate a "beacon transmitter" which emits defined sine waves detected by AERA antennas recorded within the physics data. The relative phasing of these sine waves can be used to correct for GPS clock drifts. In addition to this, we observe radio pulses emitted by commercial airplanes, the position of which we determine in real time from Automatic Dependent Surveillance Broadcasts intercepted with a software-defined radio. From the known source location and the measured arrival times of the pulses we determine relative timing offsets between radio detector stations. We demonstrate with a combined analysis that the two methods give a consistent timing calibration with an accuracy of 2 ns or better. Consequently, the beacon method alone can be used in the future to continuously determine and correct for GPS clock drifts in each individual event measured by AERA.

    Original languageEnglish (US)
    Article numberP01018
    JournalJournal of Instrumentation
    Volume11
    Issue number1
    DOIs
    StatePublished - Jan 29 2016

    Keywords

    • Calibration and fitting methods
    • Cluster finding
    • Detector alignment and calibration methods (lasers, sources, particle-beams)
    • Pattern recognition
    • Timing detectors

    ASJC Scopus subject areas

    • Mathematical Physics
    • Instrumentation

    Fingerprint Dive into the research topics of 'Nanosecond-level time synchronization of autonomous radio detector stations for extensive air showers'. Together they form a unique fingerprint.

    Cite this