[論文レビュー] Differences Between the Pierre Auger Observatory and Telescope Array Spectra: Systematic Effects or Indication of a Local Source of Ultra-High-Energy Cosmic Rays?

Pavlo Plotko, A. van Vliet+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、ピエール・オーディン・オブザーバトリ（PAO）とテレスコープ・アレイ（TA）が測定した超高エネルギー宇宙線（UHECR）エネルギースペクトルの乖離について、系統的要因ではなく、北半球における局所的天体物理学的源がその原因である可能性を提案する。剛性依存最大エネルギーモデルを用いた統合的フィットにより、26 Mpc以内に位置するケイ酸素系の源が、急峻なスペクトルと高い発光度を示すことで、エネルギー依存性を持つ系統的要因とは対照的な説得力ある天体物理学的代替解釈を提供することが判明した。

ABSTRACT

The Pierre Auger Observatory (PAO) and Telescope Array (TA) collaborations report significant differences in the observed energy spectra of ultra-high-energy cosmic rays (UHECRs) above 30~EeV. In this work we present a joint fit of TA and PAO data using the rigidity-dependent maximum energy model, including a full marginalization over all relevant parameters. We test two possible scenarios to explain these differences. One is that they are due to complex energy-dependent experimental systematics; the other is the presence of a local astrophysical source in the Northern Hemisphere, which is only visible by the TA experiment. We show that the astrophysical and systematic scenarios improve the explanation of the data equally well, compared to the scenario where both experiments observe the same UHECR flux from a cosmological source distribution and have energy-independent systematics. We test different mass compositions emitted from the local source and conclude that the data are best described by a source lying at a distance below 26~Mpc that emits cosmic rays dominated by the silicon mass group. We also discuss possible source candidates, and the possible role of the putative local UHECR source in the observed TA anisotropy and in the differences in TA spectral data from different declination bands.

研究の動機と目的

• ピエール・オーディン・オブザーバトリ（PAO）とテレスコープ・アレイ（TA）の間で長年にわたり指摘されている、30 EeVを超えるエネルギー領域におけるUHECRエネルギースペクトルの乖離を解消すること。
• 観測された差異が、複雑なエネルギー依存性を持つ実験的系統的要因に起因するのか、それとも北半球に位置する局所的天体物理学的源に起因するのかを検証すること。
• データを最もよく説明できる可能性のある局所的UHECR源の組成、距離、スペクトル的性質を特定すること。
• 局所的源モデルが、特に異なる赤緯帯における観測された非等方性およびスペクトル的特徴（TAデータ内）と整合しているかを評価すること。
• 標準的な宇宙論的源モデルにエネルギーに依存しない系統的要因を組み込んだ場合と比較して、局所的源仮説がより良いフィットを示すかどうかを評価すること。

提案手法

• すべての関連パラメータを完全に周辺化することで、PAOおよびTAのUHECRデータを剛性依存最大エネルギーモデルを用いて統合的にフィットする。
• 2つのシナリオを比較する：(1) エネルギー依存性を持つ系統的要因、(2) 北半球に位置する局所的天体物理学的源。後者は、異なる質量群（H, He, N, Si, Fe）でテストされる。
• Tsunesadaら（2021）が定量化したエネルギー依存性のシフトをデータに適用して系統的要因を検証する一方で、最大エネルギーとスペクトル指数を変化させた局所的源をモデル化する。
• 空気シャワーのシミュレーションモデル（Sibyll 2.3c, QGSJET-II-04, Epos-LHC）を用いてフラックス予測を計算し、観測結果と比較する。
• 統計的有意性（5.0σ vs. 無効仮説）を用いてモデルの性能を評価し、予測された非等方性レベルと観測された残差強度（RI）値を比較する。
• 共通の赤緯帯を除外して別々のフィットを実施することで、局所的源モデルの妥当性を北半球（TA）および南半球（PAO）のデータのみで検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PAOとTAの間で観測された30 EeVを超えるエネルギー領域におけるスペクトル差異が、エネルギー依存性を持つ実験的系統的要因のみで説明可能か。
• RQ2 北半球に位置する局所的天体物理学的源を組み込むことで、系統的要因よりもスペクトル乖離をよりよく説明できるか。
• RQ3 統合されたPAOおよびTAデータを最もよく説明する局所的UHECR源の最適な質量組成、距離、スペクトル指数は何か。
• RQ4 局所的源モデルは、残差強度予測において観測されたTAの非等方性特徴（特に、フラックス過剰およびホットスポット領域）とどの程度整合するか。
• RQ5 空気シャワーのシミュレーションモデルの選択および異なる赤緯帯からのデータの含む有無に依存して、結果はどのように変化するか。

主な発見

• 局所的源シナリオは、標準的な系統的要因を伴う宇宙論的源の無効仮説に対して5.0σの有意性向上を示し、系統的要因のみの説明（4.8σ）と同等の有意性を示した。
• 最良のフィットは、ケイ酸素-28質量群が支配的である局所的源を示し、最大エネルギーは20 EeV、スペクトルは急峻（γlocal < -1.0）で、距離は14 Mpc以内に位置している。
• モデルは30 EeV以上で顕著なフラックス寄与を予測し、25–40 EeV範囲における最近のTAフラックス過剰と整合的である。
• 鉄支配の源の場合、エネルギー依存性シフトシナリオ下での最良のフィット距離は190 Mpcであり、ペルセウス＝ピスケス超銀河団と整合的である。
• 局所的源モデルは、特に新しいフラックス過剰およびホットスポット領域において、観測されたTA非等方性データと一致する残差強度値を予測した。
• 共通の赤緯帯を除外した場合でもモデルは頑健であり、北半球データのみで局所的源仮説が支持されることを示した。