[論文レビュー] Constraining the sources of ultra-high-energy cosmic rays across and above the ankle with the spectrum and composition data measured at the Pierre Auger Observatory

Pierre Auger Collboration, Adila Abdul Halim+366 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、ピエール・オジェ観測所からのスペクトルおよび成分データを用いて、アングルエネルギーエリアを越えて上回る超高エネルギー宇宙線（UHECR）の起源を制約する。エネルギースペクトルをさまざまなカットオフ形状でモデル化し、観測データと比較することで、硬いスペクトルと緩やかなカットオフ（例：∆=0.5）を持つ源はやや不適切であることが判明した。一方、より硬いスペクトルとより急峻なカットオフを持つ源がデータに適合しており、特定の放射特性を持つ少数の支配的UHECR源が存在する可能性を示唆している。

ABSTRACT

In this work we present the interpretation of the energy spectrum and mass composition data as measured by the Pierre Auger Collaboration above $6 imes 10^{17}$ eV. We use an astrophysical model with two extragalactic source populations to model the hardening of the cosmic-ray flux at around $5 imes 10^{18}$ eV (the so-called "ankle" feature) as a transition between these two components. We find our data to be well reproduced if sources above the ankle emit a mixed composition with a hard spectrum and a low rigidity cutoff. The component below the ankle is required to have a very soft spectrum and a mix of protons and intermediate-mass nuclei. The origin of this intermediate-mass component is not well constrained and it could originate from either Galactic or extragalactic sources. To the aim of evaluating our capability to constrain astrophysical models, we discuss the impact on the fit results of the main experimental systematic uncertainties and of the assumptions about quantities affecting the air shower development as well as the propagation and redshift distribution of injected ultra-high-energy cosmic rays (UHECRs).

研究の動機と目的

• ピエール・オージェ観測所からのスペクトルおよび成分データを統合することで、超高エネルギー宇宙線（UHECR）の最も可能性の高い起源を同定すること。
• 指数関数的、双曲正割的、および累乗則的といった異なるスペクトルカットオフ形状が、推定される源の性質に与える影響を検証すること。
• 観測されたUHECRスペクトルおよび成分データが、特定のスペクトル指数とカットオフ行動を示す少数の支配的源をどれほど支持するかを同定すること。
• 特にアングル領域周辺で、エネルギースペクトルカットオフの形状を仮定することによる源の制約への感受性を評価すること。
• 系統的不確実性を含めたスペクトルフィットにおける不確実性を考慮した場合、さまざまな源モデルが観測データとどの程度整合するかを評価すること。

提案手法

• 本分析は、広大な空気シャワーおよびミューオン含有量の測定を含む、ピエール・オージェ観測所が収集したエネルギースペクトルおよび成分データを用いる。
• カットオフ形状の感度を検証するため、指数関数的（ダイポール型）、双曲正割的（∆=0.5、1.0、2.0）、および累乗則的形態のスペクトルモデルを構築する。
• モデルの適合度を比較するために、全偏差統計量が計算され、偏差値が小さいほどデータとの一致度が高いため、情報基準を用いたモデル比較が可能となる。
• カットオフ形状の違いを補償するため、スペクトルパラメータ（例：スペクトル指数γ）が調整され、各モデル間で同等の粒子注入スペクトルが得られるようにする。
• 系統的不確実性は、異なるカットオフ形状における偏差値の増加を比較することで評価され、他の系統的要因と同様の方法で評価される。
• 成分データを組み込むことで、高エネルギー領域における軽量または混合成分と整合するモデルが源の性質を制約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アングルエネルギーエリアを超えるUHECRスペクトルを最もよく記述するのは、指数関数的、双曲正割的といったどのカットオフ形状か？
• RQ2 異なるカットオフ形状は、UHECRモデルにおける推定スペクトル指数および源の性質にどのように影響を与えるか？
• RQ3 ピエール・オージェ観測所の統合スペクトルおよび成分データは、支配的UHECR源の数や特性にどのような制約を課すか？
• RQ4 スペクトルフィットにおける系統的不確実性は、特定のカットオフ形状の選択にどの程度影響を与えるか？
• RQ5 データは、硬いスペクトルと急峻なカットオフを示す少数の支配的源のシナリオを、よりソフトなスペクトルを持つ広範な源の分布のシナリオよりも支持するか？

主な発見

• ∆=0.5の双曲正割的カットオフは、その緩やかな形状のため、内在的スペクトル指数γが硬くても、有効スペクトルが著しく軟らかくなる。
• カットオフ形状の違いにもかかわらず、最良適合スペクトルパラメータが調整され、類似した粒子注入スペクトルが得られる。これは、観測された差が主にカットオフ形状の違いに起因していることを示している。
• ∆=0.5および∆=2.0のケースでは、全偏差値に顕著な増加が見られ、どちらもあまりに緩やかすぎたり急すぎたりするカットオフ形状は、データからやや不適切であることが示唆される。
• これらの極端なカットオフ形状における偏差値の増加は、系統的不確実性によって生じる増加と同程度の大きさであり、カットオフ形状がモデル不確実性の重要な要因ではあるが、支配的要因ではないことを示している。
• データは、より硬い内在スペクトルとより急峻なカットオフを持つモデルを支持しており、特定の放射特性を持つ少数の支配的UHECR源が存在する可能性を示唆している。
• 統合スペクトルおよび成分データは、UHECR源が数が少なく、硬いスペクトルと鋭いスペクトルカットオフを示すというシナリオを支持しており、活動銀河核やその他の高エネルギー加速器のような源と整合的である。