[論文レビュー] High-Energy Galactic Cosmic Rays (Astro2020 Science White Paper)

Frank Schröder, T. Abu‐Zayyad+20 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2019

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 122被引用数 14

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、既存のエアシャワー配列（IceTop（IceCube）、Telescope Array Low Energy Extension（TALE）、Pierre Auger Observatoryのアップグレード）を強化することで、高エネルギー銀河系宇宙線（GCR）の測定を向上させることを提案している。質量分解能のあるGCRデータとガンマ線・ニュートリノ観測を組み合わせることで、宇宙線の起源、伝播、および銀河系内から銀河間への遷移に関する主要な謎を解明することを目的としており、特にマルチメッセンジャーシナジーと改善されたハドロン相互作用モデルを通じて実現する。

ABSTRACT

The origin of the highest energy Galactic cosmic rays is still not understood, nor is the transition to EeV extragalactic particles. Scientific progress requires enhancements of existing air-shower arrays, such as: IceCube with its surface detector IceTop, and the low-energy extensions of both the Telescope Array and the Pierre Auger Observatory.

研究の動機と目的

• 0.1–1 EeVの範囲における最高エネルギー銀河系宇宙線（GCR）の未解決な起源を解明する。
• 宇宙線エネルギースペクトルにおけるキーン、セカンドキーン、アングルといったスペクトル特徴の物理的起源を明確化する。
• 異なるエアシャワー実験間でのエネルギースケールおよび組成測定の不一致を解消する。
• GCRデータをニュートリノおよびガンマ線観測と統合することで、宇宙線源の整合的なマルチメッセンジャーピクトチャを確立する。
• 特にミューオン生成に関する改善を図ることで、GCR測定における系統的不確実性を低減する。

提案手法

• IceCube（IceTop）のアップグレードされた表面検出器を活用し、低エネルギーGCR測定を拡張するとともにエネルギー分解能を向上させる。
• Telescope Array（TALE）およびPierre Auger Observatoryに低エネルギー拡張を実装し、0.1–1 EeVエネルギー範囲への感度を向上させる。
• エアシャワー配列とミューオンおよびチェレンコフ検出器を組み合わせたハイブリッド測定を実施し、質量組成の決定精度を向上させる。
• GCRデータとIceCubeのニュートリノフラックス測定、ガンマ線観測を統合し、源集団および加速メカニズムを制約する。
• GCR、ニュートリノ、ガンマ線データを銀河磁場モデルと併用して統合的解釈を実施し、伝播効果を研究する。
• 高精度なGCRデータを用いてハドロン相互作用モデルを精緻化し、シミュレーションと観測の間のミューオン含有量の不一致を解消する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河系宇宙線が達成可能な最大加速エネルギーは何か？ また、銀河間宇宙線への遷移の性質は何か？
• RQ2 キーンやセカンドキーンといったスペクトル特徴は、源集団の違い、磁気拡散、それとも伝播効果に起因するのか？
• RQ3 宇宙線フラックスの大型スケール非一様性は、スペクトル特徴および源集団とどのように関連しているか？
• RQ4 異なるエアシャワー実験がエネルギースケールおよび0.7 PeV特徴の存在に関して不一致を報告するのはなぜか？
• RQ5 GCR測定は、特に改善されたハドロン相互作用モデルを通じて、標準模型を超えた素粒子物理学の制約を提供できるか？

主な発見

• 銀河中心部は、GCR、ニュートリノ、および光子観測の統合的結果により、最も高エネルギーの銀河系宇宙線源の有力候補である。
• ~3 PeVのキーンおよびARGOでのみ観測された0.7 PeV特徴は、それぞれ源集団または伝播効果に関連する別個の物理的現象を示している可能性がある。
• ~100 TeVおよび数EeVにおける大型スケール非一様性の位相反転は、異なる宇宙線集団への遷移、または銀河系内から銀河間支配へのシフトを示唆している。
• 実験間でのエネルギースケールの不一致は、ハドロン相互作用モデルおよびキャリブレーションの差異に起因するものであり、固有のフラックス変動とは無関係である。
• シミュレーションと観測の間のミューオン予備の不一致を解消するには、改善されたハドロン相互作用モデルが不可欠であり、これはGCR測定における主要な系統的不確実性要因である。
• GCR、ニュートリノ、ガンマ線データのマルチメッセンジャーシナジー、特にそれらの統合的解析は、宇宙線最大加速エネルギーの下限を提供し、源の性質を制約するのに有効である。