[論文レビュー] Measurement of the cosmic p+He energy spectrum from 50 GeV to 0.5 PeV with the DAMPE space mission

DAMPE Collaboration, Francesco Alemanno+153 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 42被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、DAMPE宇宙ミッションを用いて46 GeVから316 TeVの範囲で宇宙線陽子+ヘリウムエネルギースペクトルの最新測定を提示する。29 TeV付近で6.6σの有意性を示すスペクトルの軟化を観測し、600 GeV付近で硬化を特定し、150 TeV付近に第二の硬化の強力な証拠を示す。これは宇宙および地上観測とを結びつけ、銀河系宇宙線の単一の累乗則モデルに挑戦する。

ABSTRACT

Recent observations of the light component of the cosmic-ray spectrum have revealed unexpected features that motivate further and more precise measurements up to the highest energies. The Dark Matter Particle Explorer is a satellite-based cosmic-ray experiment that has been operational since December 2015, continuously collecting data on high-energy cosmic particles with very good statistics, energy resolution, and particle identification capabilities. In this work, the latest measurements of the energy spectrum of proton+helium in the energy range from 46 GeV to 464 TeV are presented. Among the most distinctive features of the spectrum, a spectral hardening at 600 GeV has been observed, along with a softening at 29 TeV measured with a 6.6σ significance. Moreover, the detector features and the analysis approach allowed for the extension of the spectral measurement up to the sub-PeV region. Even if with small statistical significance due to the low number of events, data suggest a new spectral hardening at about 150 TeV.

研究の動機と目的

• DAMPE宇宙ミッションを用いて46 GeVから316 TeVの範囲で、宇宙線陽子+ヘリウムエネルギースペクトルを高精度に測定すること。
• 単一の累乗則行動からの逸脱を示すスペクトル特徴（硬化・軟化）を調査すること。
• エネルギースペクトルの高エネルギー領域への延長により、宇宙ベース（DAMPE）と地上ベースの宇宙線実験を結びつけること。
• スペクトルの折りたたみ点とその有意性を特定することで、銀河系宇宙線の加速・伝搬メカニズムのモデルを制限すること。

提案手法

• DAMPE衛星は、優れたエネルギー分解能と粒子識別能力を備えた高統計的データを、高エネルギー宇宙線粒子から収集した。
• キャロリメトリックおよびトリガ技術の組み合わせを用いて、陽子+ヘリウムを他の粒子から区別し、陽子+ヘリウムのエネルギースペクトルを再構築した。
• スペクトル特徴を記述するために、滑らかな折りたたみ累乗則（SBPL）モデルをデータにフィットさせた。パラメータには正規化、スペクトル指数、折りたたみエネルギー、滑らかさが含まれる。
• 系統的不確実性は、モデルに乗算されるノイズパラメータを用いてモデル化し、モンテカルロシミュレーションから得られた共分散行列を用いた。
• スペクトル特徴の有意性は、SBPLフィットと単一累乗則フィットを比較することで評価され、29 TeV付近の軟化は6.6σの有意性を示した。
• 異なるバリオン衝突モデル（FLUKA、DPMJET-3、GEANT4-QGSP_BERT）を用いてフィットを繰り返し、モデル依存のばらつきを考慮した追加の不確実性推定値を導出した。

Figure 2: Effective acceptance of the p+He analysis obtained by using p and He MC samples, after applying all the selection cuts (see text).

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 陽子+ヘリウムエネルギースペクトルは10 TeVを超えるエネルギーで軟化を示すか。その有意性はいかほどか？
• RQ2 500 GeVを超えるエネルギー領域に陽子+ヘリウムスペクトルに硬化が存在するか。それらは過去の観測とどのように一致するか？
• RQ3 DAMPEデータは陽子+ヘリウムスペクトルのエネルギーカバーを316 TeVまで拡張できるか。これにより地上実験と直接比較可能になるか？
• RQ4 観測されたスペクトル特徴、特に29 TeV付近の軟化の統計的有意性はいかほどか？
• RQ5 150 TeV付近に第二の硬化の証拠があるか。それは宇宙線伝搬の解釈にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 29 TeV付近に6.6σの有意性を示すスペクトルの軟化が観測され、単一累乗則からの明確な逸脱を示す。
• 600 GeV付近にスペクトルの硬化が検出され、過去の観測と整合的であり、宇宙線源または伝搬メカニズムの変化を示唆する。
• スペクトルは316 TeVまで延長され、地上実験との直接比較が可能となり、エネルギー領域間の連続性が確認された。
• 150 TeV付近に第二の硬化の証拠が得られ、データとSBPLフィットモデルの両方に一致する。
• 最良のSBPLモデルでは、折りたたみエネルギーE_B = 28.8+6.2−4.4 TeV、スペクトル指数の変化Δγ = 0.43+0.066−0.057が得られた。
• SBPLフィットの赤緑比（赤二乗/自由度）は0.9/2であり、データの良好な記述を示し、一方単一累乗則フィットでは48.14/4と著しく悪い値を示し、スペクトル特徴の有意性が確認された。

Figure 3: Response matrix derived from MC simulations of p and He after applying the selection cuts. The colors represent the probability that the event in a bin of incident energy, migrates to different bins of energy deposited in the BGO calorimeter.