[論文レビュー] Measurement of the cosmic electron plus positron spectrum with the MAGIC telescopes

D. Borla Tridon, P. Colin+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2011

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 31

ひとこと要約

本論文は、100 GeV から 3 TeV のエネルギー範囲で、MAGIC Cherenkov望遠鏡を用いた宇宙線電子および陽電子スペクトルの最初の測定を提示する。Cherenkovシャワー像の再構成にランダムフォレストベースのヘドロンネス分類を適用し、モンテカルロシミュレーションを用いてバックグラウンドを排除することで、11.75σの有意性を持つ電子に類似した過剰な事象を検出。微分スペクトル指数は Γ = −3.16 ± 0.06（統計）± 0.15（系）であり、重複領域における以前の実験と整合的である。

ABSTRACT

Cosmic electrons with energies in the TeV range lose their energy rapidly through synchrotron radiation and inverse Compton processes, resulting in a relatively short lifetime (~ 10^5 years). They are only visible from comparatively nearby sources (<1 kpc). Unexpected features in their spectrum at a few hundreds GeV, as measured by several experiments (ATIC, Fermi and H.E.S.S. among others), might be caused by local sources such as pulsars or by dark matter annihilation/decay. In order to investigate these possibilities, new measurements in the TeV energy region are needed. Since the completion of the stereo system, the MAGIC Cherenkov experiment is sensitive enough to measure the cosmic electron flux between a few hundred GeV and few TeV. The electron signal has to be extracted from the overwhelming background of hadronic cosmic rays estimated through Monte Carlo simulations. Here we present the first results of the cosmic electron spectrum measured with the MAGIC telescopes.

研究の動機と目的

• 地上ベースのCherenkov望遠鏡を用いて、TeVエネルギー領域における宇宙線電子および陽電子スペクトルを測定すること。
• ATIC、Fermi、H.E.S.S.が数 100 GeV の領域で観測した電子スペクトルにおける異常な特徴の起源を調査すること。
• これらの特徴が局所的な天体物理学的源（例：パulsar）由来であるのか、あるいはダークマターの散乱／崩壊由来であるのかを検証すること。
• MAGICステレオシステムの高エネルギー電子検出における感度および性能を検証すること。
• 高圧バルーンおよび人工衛星実験の結果を検証するため、TeV帯域における新たな独立した測定を提供すること。

提案手法

• γ線バックグラウンドを最小限に抑えるために、選択された銀外領域で4回の観測期間（2009年12月、2010年6月、2010年10月、2010年11月）にわたってデータを収集した。
• 荷電粒子のCherenkovシャワー像は、Hillasパラメータ（サイズ、幅、長さ）、インパクトパラメータ、シャワー最大高さを用いて再構成した。
• 電子と陽子のモンテカルロシミュレーションを用いてトレーニングされたランダムフォレスト分類器により、バックグラウンド抑制のためのヘドロンネスパラメータ（0 = 電子に類似、1 = ヘドロンに類似）を計算した。
• エネルギー再構成には、シミュレートされたイベントに基づくルックアップテーブルを用い、100 GeV から 2 TeV の間で平均エネルギー分解能が20%未満であった。
• バックグラウンド正規化は、オン・オフ法を用い、非信号領域（ヘドロンネス 0.4–0.8）におけるオン源とモンテカルロ陽子イベントの比率を用いた。
• 系統的不確実性は、大気モデル、鏡面反射率、PMT量子効率、およびヘドロン反応モデルを考慮して評価され、フラックス正規化の不確実性は約30%であった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MAGICステレオシステムは、100 GeV から 3 TeV の範囲で宇宙線電子および陽電子スペクトルを検出・測定できるか？
• RQ2 観測された電子に類似した事象の過剰は、パワー則スペクトルに一致するか？ また、ATIC、Fermi、H.E.S.S.の以前の測定結果とどのように比較できるか？
• RQ3 電子信号の有意性とスペクトル形状は何か？ また、系統的不確実性はフラックス正規化およびスペクトル勾配にどのように影響するか？
• RQ4 ヘドロンネス分類法は、ヘドロンバックグラウンドを効果的に抑制しつつ、電子に類似した事象をどれほど保持できるか？
• RQ5 大気モデル、検出器応答、およびヘドロン反応モデルの不確実性は、最終的なスペクトルおよびその解釈にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• 150 GeV から 2 TeV のエネルギー範囲で、4,668事象の電子に類似した過剰が11.75σの有意性で検出された。
• 微分スペクトルは、スペクトル指数 Γ = −3.16 ± 0.06（統計）± 0.15（系統）のパワー則でよく記述できる。
• MAGICスペクトルは、重複エネルギー領域（数 100 GeV）でFermiおよびATICの測定結果とよく一致し、より高いエネルギー（最大3 TeV）ではH.E.S.S.の結果とも一致する。
• コルモゴロフ＝スミルノフ検定により、過剰事象分布が形状的にモンテカルロ電子シミュレーション分布と一致する確率が70%以上であると示された。
• フラックス正規化の系統的不確実性は約30%であり、主に大気モデル、鏡面反射率、PMT応答の変動に起因する。
• スペクトル勾配の系統的誤差は少なくとも ±0.15 と推定されており、この値の精緻化に向けた取り組みが継続中である。