[論文レビュー] Highlights from the Pierre Auger Observatory (ICRC2019)

A. Castellina|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2019

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、ピエール・オーゲル観測所が15年以上にわたり実施した超高エネルギー宇宙線（UHECR）観測から得られた主要な結果を提示している。これには、10^20.2 eVまで測定されたエネルギースペクトル、蛍光検出器および地上検出器を用いた質量組成の測定、および大規模および中規模の非一様性に関する研究が含まれる。アジャンプライム（AugerPrime）アップグレードは、地上検出器の向上、電波アンテナ、地下ミューオン検出器を用いて、加速器の到達域を超える粒子の性質とハドロン相互作用の感度を向上させることを目的としており、イベントごとの質量組成の決定を強化し、フラックス抑制の起源を解明する。

ABSTRACT

The Pierre Auger Observatory has collected data for more than 15 years, accumulating the world's largest exposure to ultrahigh energy cosmic rays (UHECRs). The energy spectrum of the UHECRs has been measured up to $10^{20.2}$ eV, and their mass composition has been studied exploiting both the fluorescence and surface detectors of the Observatory. The analysis of the UHECRs arrival directions allowed us to measure their large-scale anisotropies over more than three decades in energy. The searches for intermediate-scale anisotropies are being performed with an exposure now reaching approximately $100,000$ km$^2$sr yr. For the first time, the fluctuations in the number of muons in inclined air showers above $4 imes 10^{18}$ eV have been obtained, while more information in the energy range $10^{17.5}-10^{18.3}$ eV comes from the direct measure of muons with the underground scintillators of the Observatory. Moreover, we discuss the limits obtained on the fluxes of neutral particles and the results of the searches for UHE neutrinos from transient astrophysical sources. The new perspectives opened by the current results call for an upgrade of the Observatory, whose main aim is the collection of new information about the primary mass of the highest energy cosmic rays to understand the origin of the observed flux suppression. The progress of the upgrade of the Observatory, AugerPrime, is presented and discussed.

研究の動機と目的

• 10^17 eVを超える超高エネルギー宇宙線（UHECR）の起源と組成を理解すること。
• UHECRスペクトルにおけるフラックス抑制の性質を解明すること——これは源のエネルギー限界によるものか、GZKカットによるものか。
• アップグレードされた検出器を用いて、イベントごとの質量組成測定を改善し、主粒子の質量とハドロン相互作用モデルとのデゲネラシーを解消すること。
• 陽子を最高エネルギーで検出することで、荷電粒子天文学を実現すること。
• 中性粒子および一時的で高エネルギーの天体的源（UHEニュートリノを含む）に対する観測所の感度を拡張すること。

提案手法

• ピエール・オーゲル観測所は、1.5 km間隔の1600台の水チェレンコフ検出器（WCD）と、27台の望遠鏡を備えた4台の蛍光検出器（FD）を用いたハイブリッド検出システムを採用しており、大気中でのシャワー発展を測定する。
• エネルギー再構築は、シャワー核からの1 km地点での信号（S(1000)）に、一定強度カット（CIC）法を適用し、基準となる仰角38°（S38）に補正する。FD-SDハイブリッドイベントによるモデルに依存しないキャリブレーションが行われる。
• アジャンプライム（AugerPrime）アップグレードでは、各WCDステーションに3.8 m²のプラスチックシンチレーション検出器（SSD）を追加し、小型のフォトマルチプライヤー管（PMT）を用いて動的範囲を拡大する。また、30–80 MHz帯での空気シャワーからの電波放射を検出するための電波アンテナ（RD）を設置する。
• ミューオン含有量は、インフィル領域に設置された地下ミューオン検出器（UMD）を用いて直接測定され、WCDおよびSSD信号と併せて、ミューオン数およびシャワーの深さを再構築する。
• イベントごとの再構築には、多変量解析とシャワー普遍性の原則を用い、各ステーションにおけるタイミング、信号振幅、空間分布を統合してエネルギー、核心位置、ミューオン含有量を推定する。
• 電波ハイブリッドイベントは、WCD信号（電磁成分）と電波アンテナ信号（電波フットプリント）を相関させることで再構築され、特に大きな電波フットプリントを示す斜めのシャワー（θ = 60°–84°）に対して特に有効である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UHECRエネルギースペクトルに観測されたフラックス抑制の起源は何か？これはGZKカットに起因するのか、それとも源のエネルギー限界に起因するのか？
• RQ2 10^19.5 eV以上のエネルギー領域におけるUHECRの質量組成は何か？エネルギーに応じてどのように変化するか？
• RQ3 アジャンプライム（AugerPrime）アップグレードは、空気シャワーのシミュレーションにおける主粒子の質量とハドロン相互作用モデルとのデゲネラシーを解消できるか？
• RQ4 最高エネルギー領域におけるUHECRのうち、陽子はどれくらいの割合を占めているか？荷電粒子天文学は実現可能か？
• RQ5 中性粒子および一時的で高エネルギーのニュートリノ源（UHEニュートリノを含む）に対するフラックス限界は何か？マルチメッセンジャー天文学にどのような意味を持つのか？

主な発見

• UHECRエネルギースペクトルは、約60,000 km² sr yrの総露出量を用い、SD1500アレイから得られた215,000件以上のイベントを用いて、10^20.2 eVまで測定された。
• UHECRの到着方向非一様性は、エネルギーの30年以上にわたる範囲で測定されており、中規模の非一様性探索は、すでに約100,000 km² sr yrの露出に達している。
• 初めて、4×10^18 eVを超える斜めの空気シャワーにおけるミューオン数のフラクチュエーションが観測され、ミューオン的シャワーコンポーネントに関する新たな知見が得られた。
• 地下シンチレーション検出器（UMD）を用いた10^17.5–10^18.3 eVのエネルギー範囲における直接的なミューオン測定により、主粒子の質量組成に対する感度が向上した。
• SDエネルギー推定器S38とFDキャリブレーションエネルギーとの相関により、ハイブリッドイベントにおいてモデルに依存しないエネルギースケールキャリブレーションが可能となり、高エネルギー域での不確実性が5%まで低減された。
• アジャンプライム（AugerPrime）アップグレードでは、350以上の中間ステーション（WCD+SSD）、電波検出器（RD）、UMDを含むが、2020年までに完全稼働を予定しており、2025年以降もデータ取得が計画されている。