[論文レビュー] Cosmic ray spectrum in the energy range 1.0E15-1.0E18 eV and the second knee according to the small Cherenkov setup at the Yakutsk EAS array

С. П. Кнуренко, З. Е. Петров+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、ヤクーツク EAS アレイから得られた15年以上にわたるチェレンコフ光データを用いて、10^15–10^18 eV 範囲の高精度な宇宙線エネルギー分光を提示する。10^17 eV 付近に第二のへこみ（second knee）が確認され、スペクトル指数の変化 Δγ₂₃ = 0.32 ± 0.03 ± 0.05 を示し、銀河系内から銀河間宇宙線への移行を示唆している。これは、10^18 eV で ⟨ln A⟩ が約3から約1.5に急激に変化する質量組成の変化とも一致する。

ABSTRACT

From the data on Cherenkov light from EASs collected over the period of more than 15 years, the spectrum of cosmic rays was obtained in the energy range 1.0E15-1.0E18 eV. This spectrum has two features: at ~3.0E15 eV (first knee) and at ~1.0E17 eV (second knee). The first knee is characterized by the indexes γ_1=2.7+/-0.03 and γ_2 = 3.12+/-0.03 and the second knee - by γ_1 = 2.92+/-0.03 and γ_2=3.24+/-0.04. In the second case the difference amounts to Δγ_23=0.32{\pm}0.03{\pm}0.05 which is less than the case of the first knee Δγ_12=0.42+/-0.03+/-0.05 (here dual errors represent statistics and systematics correspondingly). The lesser difference Δγ_23 can be explained with the influx of cosmic rays from Meta-galaxy and, hence, with some increase of the cosmic rays intensity in the energy range 5.0E16-1.0E18 eV, which compensates the escape of heavier nuclei from the Galaxy. The presence of the second knee could be confirmed by abrupt change in mass composition from from lnA~3 at ~1.0E17 eV to lnA~1.5 at 1.0E18eV found from the analysis of longitudinal development of EAS.

研究の動機と目的

• ヤクーツク EAS アレイから得た長期にわたるチェレンコフ光データを用いて、10^15–10^18 eV 範囲の宇宙線エネルギー分光を高精度に測定すること。
• 宇宙線分光における第二のへこみの存在とその性質を調査すること、特に10^17 eV 付近での挙動に注目すること。
• エネルギーに応じた宇宙線の質量組成の変化、特に10^17 eV 付近で重い核から軽い核へのシフトを検討すること。
• 第二のへこみが銀河系内での制限効果に起因するのか、それとも銀河外宇宙線の流入に起因するのかを特定すること。

提案手法

• チェレンコフ光の流量 Q(150) および Q(400) を、シャワー核からの距離がそれぞれ150 m および400 m の位置で、小型チェレンコフ装置を用いて測定した。
• 広範な大気シャワー（EAS）パラメータ、特に電荷粒子密度 ρₛ(300) および ρₛ(600) を、シャワーの分類および選別に用いた。
• トリガ効率の変化を補正し、シャワー発達の揺らぎや大気効果を考慮するため、モンテカルロシミュレーションを用いた。
• 検出器の幾何構造、エネルギー再構築、シャワー発達の変動を考慮して、有効面積 S_eff を計算した。
• シャワーのエネルギーを、主粒子エネルギーの代理として Q(150) パラメータを用いてバランスさせ、エネルギー分光を再構築した。
• 質量組成は、チェレンコフ光およびミューオン測定に基づくEASの縦方向発達から推定し、ハドロン相互作用モデル（QGSJETII-03 および SIBYLL-2.1）と照合した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 10^15–10^18 eV 範囲の宇宙線分光に第二のへこみが存在するか。存在する場合、その位置はどこか？
• RQ2 第二のへこみに関連するスペクトル指数の変化（Δγ）は何か。第一のへこみと比較するとどうなるか？
• RQ3 第二のへこみを通過する際、宇宙線の質量組成はどのように変化するのか。これは高エネルギー宇宙線の起源について何を示唆するか？
• RQ4 観測された分光および質量組成は、銀河系内から銀河外宇宙線への移行によって説明できるか？
• RQ5 第二のへこみは、銀河外宇宙線の流入を伴うモデルや銀河系内での制限効果を伴うモデルと整合性があるか？

主な発見

• 宇宙線分光には、約10^17 eV 付近に第二のへこみが存在し、スペクトル指数の変化 Δγ₂₃ = 0.32 ± 0.03 ± 0.05 によって確認された。
• 第二のへこみより低いエネルギー領域のスペクトル指数は γ₁ = 2.92 ± 0.03、高いエネルギー領域では γ₂ = 3.24 ± 0.04 であり、高エネルギー領域でスペクトルがやや緩やかであることが示された。
• 第二のへこみは第一のへこみほど顕著ではなく、Δγ₂₃ = 0.32 という指数差が第一のへこみの Δγ₁₂ = 0.42 よりも小さいことから、滑らかな移行であると示唆された。
• 質量組成は、約10^17 eV で ⟨ln A⟩ ~ 3 から、約10^18 eV で ⟨ln A⟩ ~ 1.5 へと急激に変化しており、第二のへこみの存在を裏付けるものとなった。
• 観測された分光および質量組成は、銀河系内宇宙線から銀河外宇宙線への移行と整合的であり、銀河からの重い核の漏れを補うために銀河外寄与が存在することを示唆している。
• モデルによるメタ銀河系宇宙線の予測に従い、銀河系宇宙線と銀河外宇宙線の境界が 3×10^17–5×10^18 eV のエネルギー範囲に存在することがデータから支持された。