[論文レビュー] Elemental energy spectra of cosmic rays measured by CREAM-II

P. Maestro, H. S. Ahn+31 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2010

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

CREAM-II は、炭素から鉄までの元素の宇宙線エネルギースペクトルを、約 100 TeV/n まで気球搭載機器を用いて測定した。全主要核種のスペクトルはほぼ同一のべき乗則的エネルギー依存性を示し、スペクトル指数は $\gamma = 2.66 \pm 0.04$ であった。これは共通の加速機構を示唆するものであり、窒素のデータは 100 GeV/n 以上のエネルギーでスペクトルの硬化を示し、高エネルギー域で一次成分が支配的であることを支持する。

ABSTRACT

We present new measurements of the energy spectra of cosmic-ray (CR) nuclei from the second flight of the balloon-borne experiment CREAM (Cosmic Ray Energetics And Mass). The instrument (CREAM-II) was comprised of detectors based on different techniques (Cherenkov light, specific ionization in scintillators and silicon sensors) to provide a redundant charge identification and a thin ionization calorimeter capable of measuring the energy of cosmic rays up to several hundreds of TeV. The data analysis is described and the individual energy spectra of C, O, Ne, Mg, Si and Fe are reported up to ~ 10^14 eV. The spectral shape looks nearly the same for all the primary elements and can be expressed as a power law in energy E^{-2.66+/-0.04}. The nitrogen absolute intensity in the energy range 100-800 GeV/n is also measured.

研究の動機と目的

• 100 GeV/n から 100 TeV/n の範囲で、C から Fe までの元素の宇宙線核のエネルギースペクトルを高精度で測定すること。
• 組成とエネルギースペクトルを直接測定することで、宇宙線加速・伝播の天体物理学的モデルを検証すること。
• 窒素の起源を解明するために、エネルギースペクトルを測定し、二次生成モデルと比較すること。
• 気球搭載実験における複数の検出器システム間でのエネルギーおよび電荷再構成の一貫性を検証すること。

提案手法

• CREAM-II は、時間・電荷検出器（TCD）、チェレンコフ検出器（CD）、ピクセル型シリコン電荷検出器（SCD）、およびサンプリングイメージング・カリメーター（CAL）からなるマルチ検出器システムを用い、冗長な粒子同定とエネルギー測定を実施した。
• CAL は 20 個の放射長のタングステン・シンチレーター積層構造であり、高精細な粒度で全シャワーエネルギーを測定し、シャワー核像を用いた軌道再構成を提供した。
• 粒子の電荷は SCD と TCD を用いて決定され、0.35e 未満の電荷分解能を達成し、H から Ni までの元素を分離可能であった。
• 軌道再構成、シャワー核像、および機器上端（TOI）および大気上端（TOA）効果の補正を用いてエネルギースペクトルを再構成した。
• 系統的不確実性は、再構成アルゴリズム（3 TeV 未満で 10%、以上で 5%）、TOI補正（一次核種で 2%）、大気中二次生成補正（酸素の崩壊による汚染のため窒素で 15%）から評価された。
• データは 24 日間の安定期間（12 月 19 日 ～ 1 月 12 日）に解析され、高精度なエネルギーおよび電荷分解能を有する 57 GB のデータが得られた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 C から Fe までの一次宇宙線核のエネルギースペクトルは、100 GeV/n から 100 TeV/n の範囲で共通のべき乗則的挙動を示すか？
• RQ2 重い核種のスペクトル指数は、異なる元素間で一貫しており、共通の加速機構を示唆するか？
• RQ3 高エネルギー域で窒素エネルギースペクトルに硬化が見られ、高剛性域で一次成分が支配的であると予想されるか？
• RQ4 再構成および大気補正による系統的不確実性は、一次核種および二次核種の絶対強度測定にどのように影響するか？
• RQ5 高エネルギー域における N/O 原子比は、前回の CREAM-I 測定と一貫しているか？

主な発見

• C、O、Ne、Mg、Si、Fe のエネルギースペクトルはすべて $E^{-2.66 \pm 0.04}$ のべき乗則的依存性を示し、一次重い核種の共通の加速機構を示唆する。
• 重み付き平均スペクトル指数 $\bar{\gamma} = 2.66 \pm 0.04$ は、CRN と TRACER のデータを統合して得られた $2.65 \pm 0.05$ と整合的である。
• 窒素のデータは 100 GeV/n 以上のエネルギーで顕著なスペクトルの平坦化を示し、高エネルギー域に一次窒素成分が存在することを支持する。
• 約 800 GeV/n における N/O 原子比は $0.080 \pm 0.025$（統計的）$\pm 0.025$（系統的）と測定され、CREAM-I の結果と良好に一致している。
• 絶対強度測定はエネルギーの6桁にわたる範囲をカバーしており、過去のデータに正規化せず提示されたため、直接的な比較が可能である。
• 系統的不確実性は良好に制御されており、一次核種では 2%、酸素の崩壊による汚染のため窒素では 15% であった。