[論文レビュー] Measurement of Energy Spectrum of Ultra-High Energy Cosmic Rays

V. Verzi, D. Ivanov+1 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 3被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、蛍光検出器および表面検出器を用いた広大な空気シャワーの検出により、Telescope Array (TA) および Pierre Auger Observatory が測定した超高エネルギー宇宙線 (UHECR) のエネルギースペクトルについての比較分析を提示する。~5×10¹⁹ eV 以上のエネルギーで一貫したフラックスの抑制が観測され、GZKカットオフの支持が得られた。一方で、ハドロン相互作用モデルに起因するエネルギー再構築および組成解釈における系統的不確実性が強調された。

ABSTRACT

Ultra-High Energy Cosmic Rays (UHECRs) are charged particles of energies above $10^{18}$ eV that originate outside of the Galaxy. Because the flux of the UHECRs at Earth is very small, the only practical way of observing UHECRs is by measuring the extensive air showers (EAS) produced by UHECRs in the atmosphere. This is done by using air fluorescence detectors and giant arrays of particle detectors on the ground. The Pierre Auger Observatory (Auger) and Telescope Array (TA) are two large cosmic ray experiments which use such techniques and cover 3000 km$^2$ and 700 km$^2$ areas on the ground, respectively. In this paper, we present the UHECR spectrum reported by the TA, using an exposure of 6300 km$^2$ sr yr accumulated over 7 years of data taking, and the corresponding result of Auger, using 10 years of data with a total exposure exceeding 50000 km$^2$ sr yr. We review the astrophysical interpretation of the two measurements, and discuss their systematic uncertainties.

研究の動機と目的

• Telescope Array (TA) および Pierre Auger Observatory が測定した超高エネルギー宇宙線 (UHECR) のエネルギースペクトルを比較すること。
• 特にハドロン相互作用モデルおよび検出器キャリブレーションに起因するエネルギー再構築における系統的不確実性を評価すること。
• 観測されたスペクトル特徴（GZKカットオフ、高エネルギー域における組成の進化など）の天体物理学的意味を評価すること。
• TAおよびアジャンのデータを統合することで、将来の全天エネルギースペクトル測定を可能にするため、露出量と感度を向上させること。

提案手法

• TAおよびアジャンにおける蛍光検出器 (FD) および表面検出器 (SD) を用いた広大な空気シャワー (EAS) の測定。
• ハドロン相互作用のモンテカルロモデルを用いたシミュレーションベースのシャワー発展のキャリブレーションによるエネルギー再構築。
• 重複するエネルギー範囲と共通のシャワー再構築手法を用いて、TAとアジャンのエネルギースケールを比較。
• エネルギー下限の延長および低エネルギー領域のスペクトルカバレッジ向上のため、TALEやインフィル検出器などの補助施設を統合。
• Xmax（シャワー最大）測定を用いて宇宙線の組成を推定し、伝搬モデルの検証を行う。
• AugerPrimeおよびTA×4のアップグレードにおいて、FDとSDデータを統合することで、フラックス抑制領域におけるミューオンおよび組成感度を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TAおよびアジャンが測定したUHECRエネルギースペクトルの形状は何か？ また、全エネルギー範囲にわたって両実験はどのように比較できるか？
• RQ2 エネルギースケールおよびハドロン相互作用モデルにおける系統的不確実性は、GZKカットオフの解釈にどの程度影響を及えるか？
• RQ3 UHECRの推定化学的組成は、アングルや抑制といった観測されたスペクトル特徴にどのように影響を及えるか？
• RQ4 ~5×10¹⁹ eV 付近の観測されたフラックス抑制は、GZK物理学によって説明可能か？ それとも、加速または伝搬に関する代替モデルを要するか？
• RQ5 将来のアップグレード（TA×4およびAugerPrime）は、UHECRエネルギースペクトル測定の精度と天球カバレッジをどの程度向上させるか？

主な発見

• TAおよびアジャンの両実験とも、~5×10¹⁹ eV 以上のエネルギーでフラックスの抑制を観測しており、GZKカットオフの予測と一貫している。
• 7年間の観測で6300 km² sr yr の露出を達成したTAのエネルギースペクトルは、10年間のデータと50,000 km² sr の露出を有するアジャンの結果と一貫しており、抑制が確認された。
• 両実験はXmax値を一貫して報告しており、シャワー発展に関して合意に達しているが、異なるハドロン相互作用モデルおよびモンテカルロ手順に起因して、異なる質量組成を推定している。
• エネルギースケールにおける系統的不確実性は約10–20%と推定され、主に加速器エネルギーよりも高い領域へのハドロン相互作用モデルの外挿に起因する。
• 最高エネルギー域での重い核への傾向が示唆されることから、スペクトルの折り返しは、GZK伝搬効果に加え、源レベルの剛性依存性加速カットオフに起因する可能性がある。
• 将来のアップグレード（TA×4およびAugerPrime）により、天球カバレッジが約6000 km² に拡大され、フラックス抑制領域における組成感度が向上し、全天エネルギースペクトルマッピングが可能になる。