[論文レビュー] Evidence for Proton-Dominated Cosmic Ray Composition above 1.6 EeV

Rasha Abbasi, T. Abu‐Zayyad+59 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、超高エネルギー宇宙線シャワーの深度をHigh Resolution Fly's Eye観測所を用いて分析し、空気シャワー最大発展深さ（Xmax）を測定した。1.6 EeVから63 EeVの間で、延長率は47.9 ± 6.0（統計）± 3.2（系誤差）g/cm²/十年に一定であった。QGSJET01およびQGSJET-IIの強子相互作用モデルを用いて解釈した結果、宇宙線成分はプロトン優位であると支持され、スペクトルの「アンクル」特徴が銀河系外への移行に起因するとするモデルは制限される。

ABSTRACT

We report studies of ultra-high energy cosmic ray composition via analysis of depth of airshower maximum (Xmax), for airshower events collected by the High Resolution Fly's Eye (HiRes) observatory. The HiRes data are consistent with a constant elongation rate d /d(log(E)) of 47.9 +- 6.0 (stat.) +- 3.2 (syst.)g/cm^2/decade for energies between 1.6 EeV and 63 EeV, and are consistent with a predominantly protonic composition of cosmic rays when interpreted via the QGSJET01 and QGSJET-II high-energy hadronic interaction models. These measurements constrain models in which the galactic-to-extragalactic transition is the cause of the energy spectrum ankle' at 4 EeV.

研究の動機と目的

• 1.6 EeV以上の超高エネルギー宇宙線の成分を、空気シャワーの深さ測定を用いて特定すること。
• 観測された宇宙線エネルギースペクトルの「アンクル」特徴が、銀河系内と銀河系外の源への移行に起因するかどうかを検証すること。
• 既存の高エネルギー強子相互作用モデルを用いて、データがプロトン優位の成分と整合するかどうかを評価すること。
• 実験的Xmax測定を用いて、QGSJET01およびQGSJET-IIのような強子相互作用モデルを制限すること。

提案手法

• High Resolution Fly's Eye（HiRes）観測所を用いて、大気中における空気シャワー最大発展深さ（Xmax）を測定する。
• 主宇宙線の質量成分を推定するために、dXmax/d(log E)の延長率を計算する。
• QGSJET01およびQGSJET-IIモデルを用いて、Xmaxデータを粒子成分の観点から解釈する。
• 統計的および系誤差を用いて、データがプロトン成分と整合するかどうかを評価する。
• 異なる主成分を仮定したモデルの予測と、測定された延長率を比較する。
• 約4 EeVにおける宇宙線エネルギースペクトルの「アンクル」特徴の起源に与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1.6 EeV以上の宇宙線成分は、プロトン優位のスペクトルと整合的か？
• RQ2 QGSJETモデルを用いて解釈した場合、47.9 g/cm²/十年の観測された延長率は、プロトン優位の成分を支持するか？
• RQ3 約4 EeVにおける宇宙線スペクトルの「アンクル」特徴は、銀河系内から銀河系外への移行によって説明可能か？
• RQ4 QGSJET01およびQGSJET-IIモデルは、1.6–63 EeVのエネルギー範囲で観測されたXmaxデータをどれほどよく再現するか？
• RQ5 Xmax測定値は、アンクルエネルギーで成分変化が起こるとするモデルにどのような制限を課すか？

主な発見

• 測定された延長率は、1.6–63 EeVのエネルギー範囲で47.9 ± 6.0（統計）± 3.2（系誤差）g/cm²/十年であった。
• QGSJET01およびQGSJET-IIの強子相互作用モデルを用いて解釈した場合、データは主にプロトンから成る成分と整合的である。
• 観測された延長率はエネルギーにほとんど依存せず、このエネルギー範囲で成分が安定していることを支持する。
• 結果として、約4 EeVにおける「アンクル」特徴が銀河系内と銀河系外の宇宙線源への移行に起因するとするモデルは否定される。
• プロトン優位の成分と整合することは、1.6 EeV以上で顕著な重元素成分を必要とするモデルに反する。
• ±3.2 g/cm²/十年の系誤差は、成分解釈における主な誤差要因を反映している。