[論文レビュー] Anisotropy of the primary cosmic-ray flux in Super-Kamiokande

Y. Oyama|arXiv (Cornell University)|May 1, 2006

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、スーパーカミオコングの2.10×10⁸個の宇宙線ミューオンを1662.0日間にわたり収集した結果、最初の2次元宇宙天球マップとしての一次宇宙線フラックスを提示する。このマップは、おうし座に0.104%の統計的に有意な過剰と、さそり座に0.094%の不足を示しており、コンプトン＝ギーティング効果の明確な証拠はない。これは、宇宙線の静止フレームが地球の運動と関連していることを示唆している。

ABSTRACT

A first-ever 2-dimensional celestial map of primary cosmic-ray flux was obtained from 2.10x10^8 cosmic-ray muons accumulated in 1662.0 days of Super-Kamiokande. The celestial map indicates an (0.104 \pm 0.020)% excess region in the constellation of Taurus and a -(0.094 \pm 0.014)% deficit region toward Virgo. Interpretations of this anisotropy are discussed.

研究の動機と目的

• スーパーカミオコングのミューオンデータを用いて、最初の2次元宇宙天球マップとしての一次宇宙線フラックスを作成すること。
• 10 TeV以上のエネルギーを持つ一次宇宙線フラックスにおける非一様性を特定および定量すること。
• 観測された非一様性が、地球の運動に伴う宇宙線静止フレーム内でのコンプトン＝ギーティング効果によって説明可能かどうかを検証すること。
• カブスパulsarがおうし座の過剰に寄与している可能性を評価すること。
• 地球の自転に伴う方向フラックス変動を分析することで、宇宙線の静止フレームを特定すること。

提案手法

• 11,146個のフォトマルチプライヤーが設置された50キロトンの水チェレンコフ検出器で検出されたチェレンコフ光からミューオンイベントを再構築した。
• 角度分解能を2°以内に保つために、軌道長が10 mを超える下向きのミューオンのみを対象とした。
• 1つの恒星日におけるミューオンフラックスの時間変動を解析し、地球の自転に伴う天球非一様性をマッピングした。
• スキャン領域のフラックス偏差が4σを超える領域を同定するために、円錐型の角度ウィンドウを天球全体にスキャンした。
• 季節的変動や大気的要因などのバックグラウンド時間変動を慎重に除去し、真の宇宙線非一様性を分離した。
• コンプトン＝ギーティング効果の有無を確認するため、過剰領域と不足領域の角度的分離と振幅を、予想されるダイポールパターンと比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スーパーカミオコングのデータから、10 TeV以上のエネルギー領域における一次宇宙線フラックスに統計的に有意な非一様性が観測されるか？
• RQ2 観測された非一様性は、地球の運動に伴う宇宙線静止フレーム内でのコンプトン＝ギーティング効果によって説明可能か？
• RQ3 おうし座の過剰はカブスパルサーと相関しており、高エネルギー宇宙線の供給源である可能性があるか？
• RQ4 宇宙線の静止フレームは、地球、銀河中心、大規模構造に対してそれぞれどのように相対的に位置づけられるか？
• RQ5 観測された過剰および不足の特徴は、既知の天体的源や局所的な銀河間構造と整合的か？

主な発見

• おうし座方向に0.104%の宇宙線フラックス過剰が観測され、有意水準は5.2σであった。
• さそり座方向に0.094%のフラックス不足が観測され、有意水準は6.7σであった。
• おうし座の過剰とさそり座の不足は、コンプトン＝ギーティング効果の予想されるダイポールパターンと一致せず、地球の運動による単純な説明は50–100 km/sの速度範囲で否定された。
• 宇宙線の静止フレームは、観測者の運動と整合的であり、銀河中心（200 km/s）やマイクロ波背景（400 km/s）とは一致しない。
• カブスパルサーからの陽子加速でも、楽観的な仮定を用いても、観測された過剰を説明するには約3倍のフラックスが必要であり、その要件を満たさない。
• おうし座の過剰ウィンドウの角度半径は39°、さそり座の不足ウィンドウは54°であり、点源ではなく広範囲にわたる構造であることが示された。