[論文レビュー] Measurement of the Lateral Distribution Function of UHECR Air Showers with the Pierre Auger Observatory

David Barnhill, P. Bauleo+12 more|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2005

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、ピエール・オーリェル観測所の表面検出器（SD）および蛍光検出器（FD）を用いたハイブリッドイベントのデータを用いて、超高エネルギー宇宙線（UHECR）空気シャワーの横方向分布関数（LDF）を高精度で測定する。最大尤度推定法を用い、ポissonおよびガウス信号モデルを統合することで、NKGに類似したLDFがデータを最もよく記述することを示した。特に、シャワー核からの1000 m地点におけるS(1000)はLDF形状の不確実性に対して最小限に敏感であり、UHECRのエネルギー代理指標として非常に頑健であることがわかった。

ABSTRACT

The Pierre Auger Observatory is being used to study cosmic rays with energies larger than 10 EeV. An essential quantity that must be deduced from data is the lateral distribution function (LDF). Knowledge of the LDF is important for the reconstruction of the shower core and the shower direction. Here we describe how the LDF is measured using the large sample of events recorded with the surface detector (SD) array and with a small sample observed with the fluorescence detectors (FD). For hybrid events, in which SD and FD measurements of the same shower are available, the core position is much better constrained than for SD-only events, thus providing an important cross-check on the LDF determined from SD measurements alone.

研究の動機と目的

• ピエール・オーリェル観測所の表面検出器（SD）アレイのデータを用いて、超高エネルギー宇宙線（UHECR）空気シャワーの横方向分布関数（LDF）を正確に測定すること。
• SDオンリーアイテムとハイブリッドイベント（SD＋蛍光検出器）から得られるLDFを比較することで、再構成手法の妥当性を検証し、系統的不確実性を低減すること。
• LDF形状とシャワーごとのゆらぎに対する感受性を最小限に抑えるために、S(1000)を測定する最適な距離を特定すること。
• LDF勾配βが天頂角およびエネルギーにどのように依存するかを特定し、飽和ステーションと信号ゆらぎが核再構成に与える影響を評価すること。

提案手法

• 測定されたタンク信号（VEM単位）を、仮定されたLDF関数からの予測値と比較することで、同時にシャワー核位置とLDFパラメータを最大尤度推定法で決定する。
• 低信号（<15 VEM）に対してはポアソン確率密度関数f_P(n, μ)を用い、高信号に対してはガウス近似f_G(n, μ)を適用する。
• 飽和タンクは、測定信号を超える値の範囲でガウス関数を統合することで取り扱い、ゼロ信号タンクはμ ≤ 3の累積ポアソン確率でモデル化する。
• 3種類のLDF関数形（べき乗則、NKGに類似、ハーヴァーパークにインspired）をテストし、NKG形式がデータと最も一致した。
• VEM信号を有効な粒子数nに変換するためのポアソン係数P(r, θ, E, A)は、シミュレーションから導出し、一次エネルギーおよび質量に依存しないと仮定する。
• LDF形状の不確実性に対する感受性を最小限に抑える最適な地面パラメータr_optは、勾配が異なるLDFの交差する距離として特定される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ピエール・オーリェル観測所が観測したUHECR空気シャワーにおける粒子の横方向分布を最もよく記述する関数形は何か？
• RQ2 LDF勾配βは天頂角およびシャワーエネルギーにどのように依存するか。また、SDオンリーとハイブリッド測定の間で一貫性があるか？
• RQ3 信号ゆらぎと飽和ステーションは、シャワー核およびLDFパラメータの再構成にどの程度バイアスを及えるか？
• RQ4 シャワー核からのどの半径距離で、地面パラメータS(r)がLDF形状の不確実性に対して最も感受性が低いか？
• RQ5 ハイブリッドイベントはSDオンリーのLDF測定を信頼できる方法で補足できるか。それらの結果はどのように一致するか？

主な発見

• NKGに類似したLDFがデータに最もよく適合し、勾配βはβ = a + b(secθ − 1)に従い、固定されたr_s = 700 mでよく記述される。
• ハイブリッド解析ではSDオンリーの結果と良好な一致を示し、勾配パラメータとしてb = −1.1 ± 0.3（ハイブリッド）およびb = −0.98 ± 0.02（SD）が得られ、検出手法間の一貫性が確認された。
• LDF不確実性に対する感受性を最小限に抑える最適な地面パラメータr_optは、約940 m（平均）であり、約500件の10^18.5–10^19 eVのイベント（θ < 60°）で110 mのRMS分散を示した。
• 10^20 eVのシミュレート済みイベントでは、r_optの平均は930 m、RMSは40 mであり、エネルギーおよび幾何的配置にわたる頑健性が裏付けられた。
• S(1000)はLDF形状の不確実性に対して最小限に影響を受けるため、特にLDF勾配が±8%以内に知られている場合、一次宇宙線エネルギーの非常に頑健な代理指標である。
• 飽和ステーションはr_optを数100メートル外側にバイアスさせるが、その影響は定量可能であり、S(1000)が安定なエネルギー指標として使用されることを否定しない。