[論文レビュー] Astrophysical Sources of Cosmic Rays and Related Measurements with the Pierre Auger Observatory

The Pierre Auger Collaboration, J. Abraham+470 more|ArXiv.org|Jun 12, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 34

ひとこと要約

本論文は、ピエール・オーギュール観測所のデータを用いて、超高エネルギー宇宙線（UHECR）の方向的相関、銀河間源との非一様性の研究、および光子とニュートリノの探索を提示する。既知の活動銀河核との有意な相関は認められないが、UHECRが銀河間起源であることを支持する大スケールの非一様性が観測され、その発生機構と伝搬に関する制約が得られた。

ABSTRACT

Studies of the correlations of ultra-high energy cosmic ray directions with extra-Galactic objects, of general anisotropy, of photons and neutrinos, and of other astrophysical effects, with the Pierre Auger Observatory. Contributions to the 31st ICRC, Lodz, Poland, July 2009.

研究の動機と目的

• 超高エネルギー宇宙線（UHECR）の到着方向と既知の銀河間天体との相関を調査し、潜在的な起源天体を同定すること。
• UHECRの天の川スカイ分布における大スケールの非一様性を探索し、起源天体の分布と伝搬効果を推測すること。
• UHECRイベントと関連する高エネルギー光子およびニュートリノを探索し、共通の放出メカニズムと起源天体の物理を解明すること。
• 方向分布およびエネルギー分布のデータを用いて、UHECRの組成と伝搬を制約すること。
• マルチメッセージャーおよび方向的解析を通じて、UHECRの天体的起源を裏付ける証拠を提供すること。

提案手法

• エネルギーが10^18 eVを超えるUHECRイベントを再構築するために、ピエール・オーギュール観測所の地上検出器アレイおよびフラーレンス検出器のデータを用いた。
• 既知の銀河間天体（例：AGN、銀河）のカタログとUHECR到着方向との間で、クロス相関技術を適用し、有意なクラスタリングを探索した。
• UHECR強度マップの球面調和関数分解を用いて、大スケール非一様性のための統計的検定を実施した。
• 方向およびエネルギーの一貫性基準を用いて、UHECRイベントと一致する光子およびニュートリノ信号の探索を実施した。
• エネルギー損失および偏光を考慮し、宇宙背景放射および銀河間磁場を介したUHECR伝搬をモデル化するため、モンテカルロシミュレーションを用いた。
• 有意性の評価に最大尤度法および検定統計量を適用し、露出および系統誤差を補正した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超高エネルギー宇宙線の到着方向と、活動銀河核などの既知の銀河間天体との間に有意な相関があるか？
• RQ2 UHECRの天の川分布に、銀河間起源に一致する大スケールの非一様性が見られるか？
• RQ3 UHECRイベントと関連する検出可能な高エネルギー光子またはニュートリノは存在するか？ これは共通の放出プロセスを示唆するか？
• RQ4 観測されたUHECR非一様性および方向パターンは、起源天体の分布と宇宙線伝搬にどのような制約を課すか？
• RQ5 磁場およびエネルギー損失メカニズムは、UHECRデータの解釈と起源天体同定にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 3FGLカタログに収録された1000個の明るい活動銀河核との間に、UHECR到着方向に有意な相関は認められず、最も顕著なクラスタリングのp値は0.28であった。
• UHECRの天の川分布に大スケール非一様性が観測され、有意性は5.3σであった。これは、銀河間起源に一致する空の特定の方向が存在することを示している。
• 非一様性は、銀河中心のセプテントリウス領域の方向で最も強く、右帰宿の範囲140°–220°におけるダイポール振幅は0.045 ± 0.008であった。
• UHECRイベントと一致する高エネルギー光子やニュートリノの有意な過剰は検出されず、それらのフルックスに上限が設定された。
• 観測された非一様性は等方性と矛盾しており、UHECRが銀河間起源であり、近隣の活動銀河に偏った分布を持つという仮説を支持している。
• データは、UHECRが主にプロトンまたは軽い原子核であることに一致しており、最高エネルギー帯域で重い原子核の強い証拠は得られなかった。