[論文レビュー] First Results from the IceTop Air Shower Array

S. Klepser|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2008

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 4被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、南極のアイストップで得られた、1 km²の空気シャワー配列による、宇宙線を氷タンク内のチェレンコフ光で検出する初の結果を提示する。26基のステーションから1か月分のデータを用いて、競争力あるエネルギーおよび方位角再構成が達成され、傾斜角依存スペクトルを通じて質量組成への感受性が明確に観測され、1–80 PeVエネルギー範囲においてミューオン内容を調べ、強子相互作用モデルを検証する可能性を示したアイスキューブとアイストップの一致測定が実現した。

ABSTRACT

IceTop is a 1 km^2 air shower detector presently under construction as a part of the IceCube Observatory at South Pole. It will consist of 80 detector stations, each equipped with two ice Cherenkov tanks, which cover 1 km^2. In 2008, the detector is half completed. One of the design goals of the detector is to investigate cosmic rays in the energy range from the knee up to approaching 1 EeV and study the mass composition of primary cosmic rays. In this report the performance of IceTop, the shower reconstruction algorithms and first results, obtained with one month of data with an array of 26 stations operated in 2007, will be presented. Preliminary results are shown for the cosmic ray energy spectrum in the range of 1 to 80 PeV. Being located at an atmospheric depth of only 700 g/cm^2 at the South Pole, a high sensitivity of the zenith angle distribution to the mass composition is observed. The main advantage of IceTop, compared to other detectors in this energy range, is the possibility to measure highly energetic muons from air showers in coincidence with the IceCube detector. The muon rate at a given air shower energy is sensitive to mass composition. The prospects of this method and alternative methods to scrutinise different composition models will be presented.

研究の動機と目的

• アイストップが単独で宇宙線エネルギースペクトルおよび組成を測定する能力を検証すること。
• 天頂角依存エネルギースペクトルが一次宇宙線質量組成にどのように感受性を示すかを調査すること。
• アイストップデータを用いて方向、コア位置およびエネルギーのシャワー再構成アルゴリズムを開発・検証すること。
• アイストップとアイスキューブの一致測定が、ミューオン内容の解明および強子相互作用モデルの検証に果たす可能性を調査すること。
• アイストップで大規模なコア距離での単一ミューオンを同定し、組成分析およびキャリブレーションモニタリングに用いること。

提案手法

• アイストップは26基のステーションから構成され、各ステーションに2基の氷チェレンコフタンクを設置し、3.3 nsの時間分解能を持つデジタル光モジュール（DOMs）でチェレンコフ光子を検出する。
• 2段階のゲイン設定（20 PEおよび200 PEのしきい値）により動的範囲が向上し、垂直等価ミューオン（VEM）へのキャリブレーションが可能になった。
• シャワー再構成には、到着時刻および電荷分布に基づく尤度最大化法を用い、平面波面およびCOGSC推定値から出発する。
• アイストップとアイスキューブの一致イベントは、アイストップで再構成されたシャワーエネルギーとアイスキューブの光子多重度を相関させることで分析した。
• 低信号期待値におけるパルス電荷分布を用いて単一ミューオンを同定し、約1 VEMのピークが孤立ミューオンを示している。
• プロトンおよび鉄のシャワーのシミュレーションをデータと比較し、組成感受性およびモデルの区別能力を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アイストップは1–80 PeV範囲の宇宙線エネルギースペクトルを、競争力ある精度で単独で解明できるか？
• RQ2 アイストップが観測する傾斜角依存エネルギースペクトルは、一次宇宙線質量組成に感受性を示すか？
• RQ3 アイストップとアイスキューブの一致データは、ミューオンバンドルサイズによってプロトンと鉄の一次組成を区別できるか？
• RQ4 アイストップのデータで、シャワー核から大規模な距離にある単一ミューオン信号を同定でき、組成分析に用いることができるか？
• RQ5 アイストップのデータは、大気シャワーシミュレーションにおける強子相互作用モデルのキャリブレーションおよび検証をどの程度向上できるか？

主な発見

• 2007年の1か月分のデータから得られたアイストップのエネルギースペクトルは、期待される特徴を示し、不確実性の範囲内で他の測定結果と良好に一致した。
• 傾斜角依存エネルギースペクトル解析において、純粋なプロトンまたは鉄モデルよりも混合組成モデルのほうが明確に優位であることが観測された。
• アイストップとアイスキューブの一致イベントでは、再構成されたシャワーエネルギーとアイスキューブの光子数との強い相関が確認され、プロトンと鉄のシミュレーションにおける平均信号は明確に分離された。
• 低信号期待値におけるパルス電荷分布に約1 VEMの明確なピークが観測され、シャワー核から遠く離れた位置に単一ミューオンが存在することが裏付けられた。
• プロトンと鉄のシミュレーションにおける単一ミューオンピークの高さは顕著に異なり、一次質量組成に強く感受性があることが示された。
• アイストップで単一ミューオンを同定する手法は、組成分析の補完的アプローチとして機能し、潜在的なオンラインキャリブレーションモニタリングにも応用可能である。