[論文レビュー] Initial Results from a Search for Lunar Radio Emission from Interactions of >= 10 19 eV Neutrinos and Cosmic Rays

P. W. Gorham, K. M. Liewer+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 1999

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、ナサのゴールドストーン70mアンテナ（DSS 14）を用い、同時に34mのDSS 13アンテナとも連携して、月のレゴリス内における超高エネルギー中性子および宇宙線クラスタのパルス状電波放射を探索した初期結果を報告する。11.9時間のライブタイムにもかかわらず、背景を超えるイベントは検出されず、初期の90%信頼区間の上限が得られ、トポロジカルデフェクトモデルの制約を開始し、幾何的および形成領域の抑制効果により予測されるEHE宇宙線誘発電波放射の予測を挑戦するものとなった。

ABSTRACT

Using the NASA Goldstone 70m antenna DSS 14 both singly and in coincidence with the 34 m antenna DSS 13 (21.7 km to the southeast), we have acquired approximately 12 hrs of livetime in a search for predicted pulsed radio emission from extremely-high energy cascades induced by neutrinos or cosmic rays in the lunar regolith. In about 4 hrs of single antenna observations, we reduced our sensitivity to impulsive terrestrial interference to a negligible level by use of a veto afforded by the unique capability of DSS 14. In the 8 hrs of dual-antenna observations, terrestrial interference is eliminated as a background. In both observing modes the thermal noise floor limits the sensitivity. We detected no events above statistical background. We report here initial limits based on these data which begin to constrain several predictions of the flux of EHE neutrinos.

研究の動機と目的

• 月のレゴリス内における超高エネルギー（≥10^19 eV）の中性子および宇宙線クラスタからのコherent電波チェレンコフ放射を検出すること。
• 特にトポロジカルデフェクト、AGN、ガンマ線バーストから予測される1–10 GHz帯のパルス状電波放射の理論的予測を検証すること。
• 月のレゴリスを超高エネルギー中性子検出の標的にして電波放射を用いることの実現可能性を確立すること。
• 地上電波望遠鏡システムを用いて、極めて高エネルギー（EHE）中性子のフラックスに対する初期の観測上限を設定すること。

提案手法

• Lバンド（1.6–1.7 GHz）およびSバンド（2.2–2.3 GHz）受信機を備えたゴールドストーンの70m DSS 14アンテナを用い、単一アンテナ観測を実施した。
• DSS 14とDSS 13（基準距離21.7 km）を用いた二重アンテナ観測を実施し、高帯域幅アナログ光リンクを介して干渉計の一致を可能にした。
• マルチレベルトリガーシステムを導入：左・右円偏光パルスの一致（≥5 nsの重複）、DSS 14における両偏光で6σの閾値、DSS 13で≥4σの信号。
• Lバンドデータを用いたバイアスシステムを導入し、インパルス状の地上電波妨害を除外することで、高電圧アークやその他の線形偏光源による誤トリガを低減した。
• DSS 14とDSS 13間の幾何的遅延一致を用い、月面からのパルスを同定した。時間窓は±290 nsとした。
• 熱雑音の下限と標準的な電波アンテナ感度式 ∆S = 2kTsysAeff⁻¹(∆t∆ν)⁻⁰.⁵ を用いてシステム感度を計算した。6σ閾値は2400 Jyに相当し、1×10¹⁹ eVのクラスタに対応した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地上電波望遠鏡を用いて、月のレゴリス内におけるEHE中性子および宇宙線クラスタからのコherent電波チェレンコフ放射を検出可能か？
• RQ2 月のレゴリスを標的にしたEHE中性子検出における有効感度閾値および検出上限は何か？
• RQ3 幾何的および形成領域効果は、レゴリス内における宇宙線誘発クラスタからの電波放射をどの程度抑制するか？
• RQ4 これらの観測結果を踏まえて、AGNやトポロジカルデフェクトなどのEHE中性子生成理論的モデルは、どの程度妥当性を保っているか？
• RQ5 二重アンテナ干渉計技術は、EHE中性子探索における地上電波妨害を効果的に除外できるか？

主な発見

• 11.9時間のライブタイム中に、統計的背景を超える電波パルスイベントは検出されず、単一アンテナ観測4.8時間および二重アンテナ観測5.6時間を含む。
• システムは6σ検出閾値2400 Jyを達成し、最小検出可能クラスタエネルギーは約1×10¹⁹ eVに相当した。
• 有効中性子エネルギー閾値は5×10¹⁹ eVと推定され、E−²スペクトルのピーク感度はこのエネルギーの4–6倍のエネルギー領域に集中した。
• 観測された上限は、ヨシダら（1997）が予測したトポロジカルデフェクトモデルを初期段階で制約し、このライブタイムに1–2件のイベントが予測されていたことを裏付ける。
• 予想されるEHE宇宙線誘発イベント（アロニェス＝ムニスとサスが予測した3–4件）が存在しないことから、幾何的および形成領域効果が放射を抑制し、検出閾値よりもはるかに低い発生率にまで減少させていることが示唆された。
• 結果から、わずかなリッジラインや類似構造のみが効率的に電波放射を発する可能性があり、表面スリッピングクラスタからの広範な放射を前提としていた従来の仮定に疑問が呈された。