[論文レビュー] Features of the energy spectrum of cosmic rays above $2.5{ imes} 10^{18}$ eV using the Pierre Auger Observatory

A. Aab, P. Abreu+380 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2020

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 18

ひとこと要約

本研究では、ピエール・オーギュール観測所の215,030件のイベントを用いて、2.5×10¹⁸ eV以上の宇宙線エネルギー分포を高精度で測定した。エネルギー分포は約1.3×10¹⁹ eVで顕著な硬化を示し、5×10¹⁹ eVを超えると急激に傾きがきつくなる。また、降り注ぐ方向の赤緯に顕著な依存性は認められず、エネルギーに依存する質量組成を含むモデルと整合的であり、5×10¹⁸ eV以上のエネルギー密度は(5.66 ± 1.40)×10⁵³ erg Mpc⁻³であった。

ABSTRACT

We report a measurement of the energy spectrum of cosmic rays above $2.5{ imes} 10^{18}$ eV based on $215,030$ events. New results are presented: at about $1.3{ imes} 10^{19}$ eV, the spectral index changes from $2.51 \pm 0.03 extrm{ (stat.)} \pm 0.05 extrm{ (sys.)}$ to $3.05 \pm 0.05 extrm{ (stat.)}\pm 0.10 extrm{ (sys.)}$, evolving to $5.1\pm0.3 extrm{ (stat.)} \pm 0.1 extrm{ (sys.)}$ beyond $5{ imes} 10^{19}$ eV, while no significant dependence of spectral features on the declination is seen in the accessible range. These features of the spectrum can be reproduced in models with energy-dependent mass composition. The energy density in cosmic rays above $5{ imes} 10^{18}$ eV is $(5.66 \pm 0.03 extrm{ (stat.)} \pm 1.40 extrm{ (sys.)} ) { imes} 10^{53}~$erg Mpc$^{-3}$.

研究の動機と目的

• 215,030件の大量イベントを用いて、2.5×10¹⁸ eV以上の宇宙線エネルギー分光を高精度で測定すること。
• 分光的特徴が方向性に依存するかどうか、特に赤緯に依存するかを調査すること。
• 局所宇宙における5×10¹⁸ eV以上の宇宙線エネルギー密度を特定すること。
• 観測された分光的特徴が、エネルギーに依存する質量組成を含むモデルと整合するかを評価すること。

提案手法

• ピエール・オーギュール観測所の地上型エアシャワー検出器が収集した215,030件の宇宙線イベントの分析。
• 到達方向およびシャワー発展パラメータを用いて、主粒子エネルギーを推定する分光再構成。
• 再サンプリングおよびキャリブレーション技術を用いて統計的および系統的誤差を推定し、不確実性を定量化。
• エネルギー領域ごとの分光指数を決定し、分光の構造的変化を同定。
• 異なる赤緯範囲における分光的特徴を比較し、分光的挙動における非一様性（アノムアリー）を検証。
• 調査範囲および露出量を考慮した5×10¹⁸ eV以上の積分フラックスを用いて、宇宙線エネルギー密度を計算。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙線エネルギー分光は2.5×10¹⁸ eV以上で硬化または軟化の特徴を示すか？そのエネルギースケールは何か？
• RQ2 分光的特徴が源方向の赤緯に測定可能な依存性を示すか？
• RQ3 局所宇宙における5×10¹⁸ eV以上の宇宙線の全エネルギー密度は何か？
• RQ4 観測された分光的構造は、主粒子のエネルギーに依存する質量組成を含むモデルで説明可能か？

主な発見

• 分光指数は、約1.3×10¹⁹ eVにおける2.51 ± 0.03 (統計) ± 0.05 (系統) から、高エネルギー領域で3.05 ± 0.05 (統計) ± 0.10 (系統) に硬化する。
• 5×10¹⁹ eVを超えると、分光指数は顕著に急激にきつくなり、5.1 ± 0.3 (統計) ± 0.1 (系統) に達する。これは強いエネルギー依存性を示唆する。
• 観測所がカバー可能な範囲内で、分光的特徴に赤緯依存性は顕著に認められない。
• 5×10¹⁸ eV以上の宇宙線エネルギー密度は、(5.66 ± 0.03 (統計) ± 1.40 (系統)) × 10⁵³ erg Mpc⁻³ として測定された。
• 観測された分光的進化は、宇宙線の組成がエネルギーに応じて変化するモデルと整合的である。
• データセットの高い統計的精度のおかげで、分光的ブレークの明確な同定と信頼性の高い誤差推定が可能となった。