[論文レビュー] Cascades initiated by EHE photons in the magnetic field of the Earth and the Sun

W. Bednarek|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 1999

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、モンテカルロシミュレーションを用いて、地球および太陽の磁場内における極端に高エネルギー（EHE）光子の連鎖崩壊を調査している。EHE光子は磁気極方向から到来する場合、より容易に連鎖崩壊を起こすが、太陽の磁気圏から到来する光子は、非常にまれで特異な降下線を生成する可能性がある。その降下線は、異常な横方向の粒子分布を示し、約10年に1回程度の割合で発生すると推定される。

ABSTRACT

The content of extremely high energy (EHE) photons in the highest energy cosmic rays can be investigated by analyzing showers arriving from directions where the perpendicular component of the Earth's magnetic field is high or showers arriving from the region surrounding the Sun. We perform Monte Carlo simulations of cascades initiated by photons with parameters of the highest energy showers observed by the past and present detectors (AGASA, Fly's Eye, Yakutsk, Haverah Park). The purpose is to find out which events should cascade with high probability if initiated by photons. It is shown that EHE photons arriving from directions towards the magnetic poles cascade with higher probability. Alternatively, the lowest probabilities of cascading are expected for photons arriving from directions of the equator at the zenith angles equal to the angle between location of the specific observatory and the magnetic pole. We show that very unusual showers should arrive from direction of the Sun due to cascading of photons in the Sun's magnetosphere if EHE photons are numerous at the highest energies. The rate of such showers is estimated on about one per ten years. However extraordinary lateral distribution of secondary particles of such showers in the Earth's atmosphere may help to distinguish them from the ordinary showers arriving isotropically from the sky.

研究の動機と目的

• EHE光子が地球および太陽の磁場内で連鎖崩壊を引き起こす可能性を評価すること。
• 磁場の幾何学的配置に基づく連鎖崩壊確率の方向的パターンを同定すること。
• 現在および過去の宇宙線検出器（AGASA、Fly's Eye、Yakutsk、Haverah Park）におけるこのような連鎖崩壊の検出可能性を評価すること。
• 異常な降下線の特徴が、標準的な宇宙線降下線と区別可能かどうかを検討すること。
• EHE光子が最高エネルギー帯域で豊富に存在する場合、太陽起源のこのような極めてまれな降下線の発生頻度を推定すること。

提案手法

• 地球および太陽の磁場内におけるEHE光子降下線のモンテカルロシミュレーションを実施すること。
• 過去および現在の検出器（AGASA、Fly's Eye、Yakutsk、Haverah Park）の観測パラメータをシミュレーションの入力として使用すること。
• EHE光子が磁場と相互作用して電子・陽電子対を生成し、その後に連鎖崩壊が発展する過程をモデル化すること。
• 到着方向（特に磁気極および赤道面に対して）に応じた連鎖崩壊確率を計算すること。
• 二次粒子の横方向分布を分析し、磁場に起因する連鎖崩壊の特徴的なシグネチャを同定すること。
• 連鎖崩壊確率およびフラックスの仮定に基づき、太陽からのこのようなまれな降下線の発生頻度を推定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 到着方向に応じたEHE光子の地球磁場内での連鎖崩壊確率はどのように変化するか？
• RQ2 太陽の磁気圏はEHE光子の連鎖崩壊にどのように影響し、どのような降下線の特徴が現れるか？
• RQ3 太陽からの検出可能な異常な降下線の発生頻度はどの程度か？
• RQ4 このような降下線における二次粒子の横方向分布は、等方的宇宙線降下線と区別可能か？
• RQ5 磁場の幾何学的配置により、EHE光子の連鎖崩壊確率が最大になる天の方向はどこか？

主な発見

• 磁気極方向に到着するEHE光子は、垂直成分が強い磁場成分のおかげで、最も連鎖崩壊を起こしやすい。
• 観測者の磁気余緯に等しい仰角を持つ赤道方向から到着する光子は、最も連鎖崩壊確率が低い。
• EHE光子が最高エネルギー帯域に豊富に存在する場合、太陽の磁気圏は非常に特異な横方向粒子分布を示す降下線を生成する可能性がある。
• 太陽由来のこのような異常降下線の発生頻度は、おおよそ10年に1回程度と推定される。
• このような降下線における二次粒子の特徴的な横方向分布は、そのまれさにもかかわらず識別可能である可能性がある。
• シミュレーションにより、磁場の幾何学的配置が、空全体にわたるEHE光子の連鎖崩壊確率に顕著に影響することが確認された。