[論文レビュー] Energy Spectrum and Chemical Composition of Cosmic Rays between 0.3 and 10 PeV determined from the Cherenkov-Light and Charged-Particle distributions in Air Showers

F. Arqueros, The HEGRA Collaboration|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 1999

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、HEGRA空気シャワー検出器アレイによるチェレンコフ光および荷電粒子の測定を統合し、0.3〜10 PeVのエネルギー範囲における宇宙線のエネルギースペクトルと化学的組成を提示する。スペクトルには3.98 PeVで「膝」が確認され、その下では指数が-2.72、上では-3.22である。最良適合の延長率は78.3 g/cm²であり、高エネルギー領域で軽い核の割合は減少している。

ABSTRACT

Measurements of the lateral distribution of Cherenkov photons with the wide-angle atmospheric Cherenkov light detector array AIROBICC and of the charged particle lateral distribution with the scintillator matrix of the HEGRA air-shower detector complex in air showers are reported. With the atmospheric shower-front sampling technique these detectors measure the electromagnetic component of an extensive air shower via the lateral density distribution of the shower particles and of the Cherenkov photons. The data are compared with events generated with the CORSIKA program package with the QGSJET hadronic-event generator. Consistency checks performed with primary energy-reconstruction methods based on different shower observables indicate satisfactory agreement between these extensive air shower simulations and the experimental data. The energy spectrum features a so called ``knee'' at an energy of E_knee = 3.98 (+4.66) (-0.83) (stat) +- 0.53 (syst) PeV. Power law fits to the differential energy spectrum yield indices of -2.72 (+0.02)(-0.03) (stat) +- 0.07 (syst) below, and -3.22 (+0.47) (-0.59) (stat) +- 0.08 (syst)} above the knee. The best-fit elongation rate for the whole energy range is determined to 78.3 +- 1.0 (stat) +- 6.2 (syst) g/cm^2. At the highest energies it seems to decrease slightly.The best-fit fraction of light nuclei decreases from 37 (+28) (-21) % (combined statistical and systematic) to 8 (+32) (-8) % (combined statistical and systematic) in the energy range discussed here. A detailed study of the systematic errors reveals that a non-changing composition cannot be excluded.

研究の動機と目的

• 空気シャワー観測データを用いて、0.3–10 PeVの範囲における宇宙線のエネルギースペクトルと化学的組成を特定すること。
• 3–4 PeV付近の宇宙線スペクトルにおける「膝」構造の性質を調査すること。
• 複数のシャワー観測量とシミュレーションの比較を用いて、組成のエネルギー依存性を評価すること。
• 複数の手法を用いて、組成およびエネルギー再構築における系統的不確実性を評価すること。
• CORSIKAシミュレーションとQGSJETのハドロン相互作用が実験データと整合するかを検証すること。

提案手法

• AIROBICC広角大気チェレンコフ検出器アレイを用いて、チェレンコフ光の横方向分布を測定した。
• HEGRAのシンチレーションマトリックスを用いて、広大な空気シャワー内の荷電粒子の横方向分布を測定した。
• 大気シャワーの波面サンプリング法を適用し、横方向密度分布から電磁成分を再構築した。
• CORSIKAシミュレーションにQGSJETハドロン相互作用モデルを用いて、実験データと比較した。
• 異なるシャワー観測量に基づく主エネルギー再構築手法間の整合性を確認した。
• シャワー発展パラメータから導かれる延長率および軽い核の割合を用いて、組成を制約した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 0.3〜10 PeVの間における宇宙線のエネルギースペクトルは何か？「膝」はどこにあるか？
• RQ2 このエネルギー範囲における宇宙線の化学的組成はどのようにエネルギーに依存するか？
• RQ3 観測されたスペクトルは、CORSIKAにQGSJETを組み込んだ現在の空気シャワーシミュレーションモデルとどの程度整合するか？
• RQ4 シャワー発展に対する最良適合の延長率は何か？エネルギーに応じてどのように変化するか？
• RQ5 宇宙線のうち軽い核はどの程度の割合を占め、エネルギー範囲にわたってどのように変化するか？

主な発見

• エネルギースペクトルには3.98 (+4.66/-0.83) PeV（統計的）± 0.53 PeV（系統的）の「膝」が存在する。
• 微分エネルギースペクトルの指数は、「膝」以下の領域で-2.72 (+0.02/-0.03)（統計）± 0.07（系統的）、上では-3.22 (+0.47/-0.59)（統計）± 0.08（系統的）である。
• 全エネルギー範囲における最良適合の延長率は78.3 ± 1.0（統計）± 6.2（系統的）g/cm²であり、最高エネルギー領域で低下する可能性がある。
• 軽い核の割合は、エネルギー範囲全体で37 (+28/-21)% から 8 (+32/-8)%（統計的および系統的不確実性を含む）に減少する。
• 系統的誤差解析の結果、90%信頼水準で定常的な組成が排除できない。
• 異なるエネルギー再構築手法間の整合性チェックにより、シミュレーションとデータの間に一致が確認され、結果の信頼性が裏付けられた。