[論文レビュー] KASCADE-Grande measurements of energy spectra for elemental groups of cosmic rays

D. Fuhrmann, W.D. Apel+55 more|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2013

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、KASCADE-Grandeが測定した荷電粒子（$N_{ch}$）とミューオン（$N_{\nu}$）の2次元シャワーサイズ分布を用いて、10^16–10^18 eVのエネルギー範囲における元素分光学エネルギースペクトルをアンフォールドした。鉄のスペクトルに約80 PeVで膝のような構造が存在する強力な証拠が得られ、電荷依存の宇宙線加速モデルを支持し、軽い一次粒子に限らず膝現象が重い核に対しても拡張されることを示唆している。

ABSTRACT

The KASCADE-Grande experiment, located at KIT-Karlsruhe, Germany, consists of a large scintillator array for measurements of charged particles, N_ch, and of an array of shielded scintillation counters used for muon counting, N_mu. KASCADE-Grande is optimized for cosmic ray measurements in the energy range 10 PeV to 1000 PeV, thereby enabling the verification of a knee in the iron spectrum expected at approximately 100 PeV. Exploring the composition in this energy range is of fundamental importance for understanding the transition from galactic to extragalactic cosmic rays. Following earlier studies of elemental spectra reconstructed in the knee energy range from KASCADE data, we have now extended these measurements to beyond 100 PeV. By analysing the two-dimensional shower size spectrum N_ch vs. N_mu, we reconstruct the energy spectra of different mass groups by means of unfolding methods. The procedure and its results, giving evidence for a knee-like structure in the spectrum of iron nuclei, will be presented.

研究の動機と目的

• KASCADE-Grandeのデータを用いて、10^17 eVを超えるエネルギー範囲における元素組成測定を、宇宙線の膝エネルギー領域まで拡張すること。
• 重い核、特に鉄が、軽い一次粒子と類似した膝構造を示すかどうかを調査すること。
• 剛性または電荷依存の膝位置を予測する理論的宇宙線加速モデルを検証すること。
• シャワーサイズ分布からの元素スペクトル再構成におけるアンフォールド手法の信頼性を検証すること。
• 10^16–10^18 eVのエネルギー範囲における鉄および軽い核のフラックスのエネルギー依存性を特定すること。

提案手法

• 分析には、1,318日間の観測期間中に得られた78,000件の高品質なイベントを用いた$N_{ch}$および$N_{\nu}$の2次元シャワーサイズスペクトルが使用された。
• 一次フラックスが観測シャワーサイズにどのように畳み込まれるかを記述するため、1種類目のフリードホルム積分方程式が用いられ、検出器の応答およびシャワー発展の影響を考慮した。
• アンフォールドには、QGSJET-II-02高エネルギー衝突モデルが用いられ、プロトン、ヘリウム、炭素、ケイ素、鉄の5つの質量群の微分エネルギースペクトルが再構成された。
• 統計的および系境的不確実性が評価され、手法的不確実性は影付き帯として、統計的誤差はエラーバーとして表現された。
• 鉄スペクトルは単一および二重のべき乗則モデルでフィットさせ、スペクトルの硬化の有意性を評価した。
• 二重べき乗則フィットには、パラメータ$p_1 = 7.9 \pm 0.1$（対数スケールでのエネルギーの膝位置、$\lg(E/\text{GeV})$）、$p_2 = -2.62 \pm 0.02$、$p_3 = -3.7 \pm 0.4$、固定値$p_4 = 7.0$が使用された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 鉄宇宙線スペクトルは、約10^17 eVのエネルギー領域に膝のような特徴を示すか？
• RQ2 鉄スペクトルにおける膝の位置は、約1×10^17 eVで観測された全粒子の膝と整合的か？
• RQ3 鉄スペクトルで観測されたスペクトル構造は、核の電荷や剛性に依存する宇宙線加速モデルを支持するか？
• RQ4 鉄エネルギースペクトルにおける単一べき乗則からの逸脱はどの程度有意か？
• RQ5 QGSJET-II-02のような高エネルギー衝突モデルの選択にどの程度依存するか？

主な発見

• 鉄エネルギースペクトルは、約80 PeV（$\lg(E/\text{GeV}) = 7.9 \pm 0.1$）で明確な膝のような構造を示した。
• 鉄スペクトルへの単一べき乗則フィットのカイ二乗確率は1%未満（$\chi^2/\text{ndf} = 18.9/7$）であり、これはフィットが著しく悪いことを示している。
• 二重べき乗則フィットでは、有意に良い記述が得られ、確率は約30%（$\chi^2/\text{ndf} = 6.2/5$）であった。これは物理的膝の存在を支持する。
• 膝の下部と上部のスペクトル指数は、それぞれ$p_2 = -2.62 \pm 0.02$および$p_3 = -3.7 \pm 0.4$であった。
• 鉄の膝位置は、約1×10^17 eVの全粒子の膝と整合的であり、先行研究で観測された重い一次粒子スペクトルのきしみ（kink）とも一致する。
• 鉄の膝位置がプロトンの膝（約3–5 PeV）に対して核の電荷に比例してスケーリングされることから、電荷依存の宇宙線加速モデルが支持される。