[論文レビュー] Anisotropies in the cosmic radiation observed with ARGO-YBJ

R. Iuppa|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2011

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

ARGO-YBJ は、25 TeV までにわたり、大規模な 'テイルイン' および 'ロスコーン' 構造を含む、複数のスケールにおける宇宙線非一様性を観測した。また、赤経 ~120°、赤緯 ~40° および 赤経 ~60°、赤緯 ~-5° の二つの強い中規模非一様性を 14σ の有意水準で特定した。データはエネルギー依存性を示す非一様性の特徴を明らかにし、特に領域1（~8 TeV の陽子中央エネルギーでのカットオフを示す）ではスペクトルがやや硬くなっている。これは、標準モデルを超える局所的源や磁場不均一性を示唆する。

ABSTRACT

Important informations on the origin and the propagation mechanisms of cosmic rays may be provided by the measurement of the anisotropies of their arrival direction. In this paper the observation of anisotropy regions at different angular scales is reported. In particular, the observation of a possible anisotropy on scales between $\sim10^{\circ}$ and $\sim30^{\circ}$ may be a key-detection for speculations on the presence of unknown features of the magnetic fields the charged cosmic rays propagate through, as well as to potential contributions of nearby sources to the total flux of cosmic rays. Evidence of new weaker few-degree excesses throughout the sky region $195^{\circ}\leq$ R.A. $\leq 315^{\circ}$ is also reported.

研究の動機と目的

• ARGO-YBJ の空気シャワー配列を用いて、複数のスケールにおける宇宙線非一様性を測定すること。
• 25 TeV 未満の宇宙線の天の川における大規模および中規模非一様性の起源を調査すること。
• 観測された非一様性が、近隣の源、磁場不均一性、または機器的・系統的効果によるものかどうかを評価すること。
• 特に赤経 195°–315° の領域において、小スケールの過剰を高有意水準で特定すること。
• 今後の他の実験や銀河間中性原子データとの共同解析を可能にするために、非一様性の起源を解明すること。

提案手法

• 等高度角法を用いて、等方的背景を推定し、大規模な系統的誤差を低減した。
• 3時間の時間平均を用いた直接積分法を適用し、小スケール特徴を高域通過フィルタとして機能させた。
• 赤経座標におけるスカイメップを用い、高度角 ≤50° および 25 個以上のシャワー粒子を有するイベントを選別し、高品質なイベントを抽出した。
• 右帰命度における調和振幅を計算し、エネルギー関数としての非一様性の強度を定量化した。
• シャワー多重度のビンにデータを分割し、過剰領域のエネルギースペクトルを導出し、スペクトルの硬さを評価した。
• 修正ユリウス日を用いて過剰の時間的変動を分析し、時間的変動性または他の天体物理学的現象との相関を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 25 TeV 未満のエネルギー領域において、宇宙線の天の川に中規模非一様性が存在するか。また、エネルギーに依存してどのように変化するか。
• RQ2 赤経 195°–315° の領域における観測された過剰は、実際の構造であるのか、統計的フラクチュエーションに起因するのか。
• RQ3 領域1（赤経 ~120°、赤緯 ~40°）における非一様性は、等方的背景と比較してより硬い宇宙線スペクトルと整合性があるか。
• RQ4 観測された非一様性は時間的変動性を示すか、他の天体物理学的現象と相関するか。
• RQ5 背景推定における系統的誤差が、弱い非一様性の検出にどの程度影響を及えるか。

主な発見

• 25 TeV までにわたり、20σ 以上の有意水準で 'テイルイン' および 'ロスコーン' 構造を示す大規模非一様性が観測され、以前の実験と整合的である。
• 赤経 ~120°、赤緯 ~40° および 赤経 ~60°、赤緯 ~-5° の二つの中規模過剰が 14σ の有意水準で検出され、Milagro の検出結果と一致する。
• 赤経 195°–315° の領域では、数度スケールの過剰が複数存在し、事後試行有意水準 >6σ であるため、ランダムでない構造であると示唆される。
• 領域1 では、等方的宇宙線と比較してスペクトルがやや硬く、約 600 個のシャワー粒子（Eₚ⁵⁰ ≈ 8 TeV）でカットオフを示す。これは、特異な源または伝搬効果を示唆する。
• 領域2 では、等方的宇宙線と同様のスペクトルを示すが、低多重度領域で検出器効率の影響によりスペクトルがやや急峻になる可能性がある。
• 過剰の時間的分布に時間的変動性や相関は観測されず、観測期間中に非一様性特徴が安定していることが示された。