[論文レビュー] Highlights from the Pierre Auger Observatory (ICRC17)

M. Unger|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

この論文は2016年までのピエール・オーゲル観測所の主要な結果を提示しており、~5 EeVにおける破断を示す高エネルギー宇宙線エネルギースペクトルの高精度測定、~40 EeVにおけるフラックス抑制、質量組成の変化の証拠、到着方向における大規模な非一様性を含む。研究ではハイブリッドSD/FDデータと電波検出を用いて強子相互作用と宇宙線起源を調査し、オーゲルプライムアップグレードはフラックス抑制の起源を解明し、表面検出器とミューオン検出の向上により質量組成の測定を改善することを目的としている。

ABSTRACT

In this contribution we summarize the highlights from the Pierre Auger Observatory presented at the 35th International Cosmic Ray Conference. We discuss the update of the measurement of the energy spectrum of cosmic rays over a wide range of energy ($10^{17.5}$ to above $10^{20}$ eV), studies of the cosmic-ray mass composition with the fluorescence and surface detector of the Observatory, the discovery of a large-scale anisotropy in the arrival direction of cosmic rays above $8 imes 10^{18}$ eV and indications of anisotropy at intermediate angular scales above $4 imes 10^{19}$ eV. Moreover, we report on tests of hadronic interactions beyond LHC energies, multi-messenger analyses with neutral primaries and the progress of the upgrade of the Observatory, AugerPrime, aimed at elucidating the origin of the observed flux suppression at ultra-high energies.

研究の動機と目的

• ハイブリッドSDおよびFDデータを用いて、10^17.5から>10^20 eVの範囲で超高エネルギー宇宙線（UHECRs）のエネルギースペクトルを高精度で測定すること。
• 表面検出器のアップグレードを用いて電磁的およびミューオン的シャワー成分を分離することで、UHECRsの質量組成を特定すること。
• UHECRの到着方向における大規模および中規模の非一様性を調査し、宇宙線源および伝搬のメカニズムを解明すること。
• 大気シャワー観測データを用いてLHCエネルギーよりも高い領域における強子相互作用モデルを検証し、ローレンツ不変性破れなどの新しい物理を制約すること。
• オーゲルプライムアップグレードを用いて、質量およびエネルギー分解能の向上により、超高エネルギーにおけるフラックス抑制の起源を解明すること。

提案手法

• 表面検出器（SD）と蛍光検出器（FD）のデータを統合し、シャワーの発展とエネルギーを測定する。この際、強子モデルの仮定に依存しないデータ駆動型キャリブレーション手法を用いる。
• 一定強度法とフットプリントテンプレートを用いて、天頂角依存性を補正し、シャワーのサイズ測定をエネルギー推定に活用する。
• 同時SD/FDイベントを用いて、蛍光ケロリメトリーと正確な大気モニタリングにより、表面検出器のシャワーサイズを絶対エネルギーにキャリブレートする。
• オーゲルプライムアップグレードを用い、既存のウォーター・チェレンコフ検出器（WCDs）の上に4 m²の表面シンチレーション検出器（SSDs）を追加し、電磁的およびミューオン的シャワー成分を別々に測定する。
• 新しい高速エレクトロニクスと地下ミューオン検出器を導入し、ダイナミックレンジを向上させ、WCD-SSD信号の組み合わせによるミューオン含量抽出の妥当性を検証する。
• 夜空背景放射が高くなる状況でも運用可能なようにFDの稼働率を向上させ、ハイブリッドイベントの統計を増加させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超高エネルギー宇宙線エネルギースペクトルの正確な形状は何か？ そして、~40 EeVにおける観測されたフラックス抑制の原因は何か？
• RQ2 宇宙線の質量組成はエネルギーに応じてどのように変化するのか？ これにより、その源や伝搬のメカニズムに何が示唆されるか？
• RQ3 UHECR到着方向における大規模非一様性の起源は何か？ また、中規模非一様性は粒子の剛性にどのように依存するか？
• RQ4 現在の強子相互作用モデルはUHECRデータと整合しているか？ それらの不一致は、標準模型を超える新しい物理の兆候を示唆しているか？
• RQ5 オーゲルプライムアップグレードにより、イベントごとの質量およびエネルギー測定が可能となり、フラックス抑制の起源を解明できるか？

主な発見

• エネルギースペクトルには~5 EeV（アンクル）で明確な破断が観測され、~40 EeVでフラックス抑制が確認され、GZKカットオフまたは源のエネルギー制限と整合的である。
• 平均的な宇宙線質量は10^18.3 eVで重い組成から軽い組成へと変化し、10^19.5 eV以上で組成変化の兆候が見られる可能性がある。
• 8×10^18 eV以上のエネルギーで、到着方向に~7%の大きな規模の双極子非一様性が観測され、非一様な宇宙線源または伝搬効果を示唆する。
• 4×10^19 eV以上のエネルギーで中規模非一様性が観測され、これらのエネルギー帯で宇宙線分布に構造があることを示唆する。
• √s = 57 TeVにおけるプロトン-エア断面積はLHCの外挿と整合的であるが、表面検出器データは強子シャワーモデルに一貫性の欠如を示している。
• オーゲルプライムエンジニアリングアレイは、安定した運用、シンチレーション信号の線形性、正確なキャリブレーションを成功裏に実証し、本格導入のための設計を検証した。