[論文レビュー] Observation of Anisotropy in the Arrival Direction Distribution of TeV Cosmic Rays with HAWC

S. BenZvi, D. W. Fiorino+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 13被引用数 3

ひとこと要約

HAWC観測所（2013–2014年）の181日分のデータを用いて、1°の角度分解能でTeV域宇宙線の非一様性を測定した。(α=60°, δ=−5°)、(α=120°)、(α=205°)で顕著な小スケールの過剰が特定された。領域Aではエネルギー依存性のあるスペクトル硬化が示され、相対的強度とエネルギーの関係における4.2σの有意な勾配が確認され、高エネルギー域で過剰が北寄りにシフトしている可能性を示唆しており、これまでのMilagroおよびARGO-YBJの観測結果と整合的である。

ABSTRACT

The High-Altitude Water Cherenkov (HAWC) Observatory, located 4100 m above sea level near Sierra Negra (19$^\circ$ N) in Mexico, is sensitive to gamma rays and cosmic rays at TeV energies. The arrival direction distribution of cosmic rays at these energies shows significant anisotropy on several angular scales, with a relative intensity ranging between 10$^{-3}$ and 10$^{-4}$. We present the results of a study of cosmic-ray anisotropy based on more than 86 billion cosmic-ray air showers recorded with HAWC since June 2013. The HAWC cosmic-ray sky map, which has a median energy of 2 TeV, exhibits several regions of significantly enhanced cosmic-ray flux. We present the energy dependence of the anisotropy and the cosmic-ray spectrum in the regions of significant excess.

研究の動機と目的

• TeV域宇宙線の到達方向分布における小スケール非一様性の起源を理解すること。
• 高統計的データを用いて、宇宙線過剰領域のエネルギー依存性スペクトル的挙動を測定すること。
• HAWCの結果を、先行する北半球実験（Milagro、ARGO-YBJ）および南半球データ（IceCube）と比較し、一貫性と新規特徴を特定すること。
• 特に領域Aにおける宇宙線過剰の形態的特徴とエネルギー変化を特徴づけ、局所的宇宙線源モデルを検証すること。
• 過剰領域におけるスペクトル硬化の有意性を評価し、源駆動型非一様性と散乱効果の区別を図ること。

提案手法

• HAWC-111（111個の水チェレンコフ検出器）が2013年6月から2014年7月にかけて記録した8.6×10¹⁰個の宇宙線空気シャワーを用いて非一様性を測定した。
• 到達方向を等面積ピクセルに分割するため、0.2°解像度のHEALPixグリッドを用いてスカイマップを構築した。
• 検出器効率の変動と露出効果を補正するため、24時間の恒星周期にわたる直接積分により基準的一様マップ⟨N⟩(α,δ)を生成した。
• 観測されたフラックスと期待される一様フラックスの差分として残留マップを計算し、非一様的特徴を分離した。
• エネルギープロキシーバイナリーを、検出器のシミュレーションを用いて各バインの中央エネルギーを推定することで作成し、エネルギー依存性スペクトル解析を可能にした。
• スペクトル硬化の有意性は、領域AにおけるδI対log(E)の勾配を1000回のランダム位置からの勾配と比較し、ガウス分布を基準として評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HAWCが測定した2 TeV中央エネルギー範囲における宇宙線非一様性のエネルギー依存的挙動は何か？
• RQ2 領域A（α=60°, δ=−5°）の過剰はエネルギーが上昇するにつれてスペクトル硬化を示すか？そしてその硬化は統計的に有意か？
• RQ3 HAWCが観測した過剰の形態的およびスペクトル的特徴は、北天で報告されたMilagroおよびARGO-YBJの結果とどのように一致するか？
• RQ4 先行実験が示唆したように、高エネルギー域で領域Aの宇宙線過剰が北寄りにシフトしている証拠はあるか？
• RQ5 同程度の中央エネルギーでIceCubeデータと比較した場合、両半球の観測結果が一貫して関連づけられるか？

主な発見

• HAWC-111データは、MilagroおよびARGO-YBJの先行観測と整合する、(α=60°, δ=−5°)における顕著な小スケール過剰を明らかにした。
• 領域Aにおける相対的強度は硬化スペクトルを示し、δI対log(E)の最良適合勾配は(3.8±1.1)×10⁻⁴であり、背景平均に対して4.2σの有意性を示した。
• スペクトル硬化は、勾配付き直線フィットの赤未乗（χ²=1.16）と水平線フィット（χ²=5.66）の比較により確認され、統計的に強く有意であることが示された。
• 領域Aはエネルギー依存性の形態的特徴を示す：10 TeV未満ではδ≈−5°の南成分が支配的であり、高エネルギー域ではδ≈5°の北成分が顕在化する。
• α=120°の領域Bは、高Declination方向への拡張した過剰を示し、Milagroのデータでは高緯度にもかかわらず完全には解像されていなかったが、ARGO-YBJの結果と整合的であった。
• HAWCマップで以前確認されていなかったα=280°における過剰は、サブスレッダー特徴として観測され、より長いデータ収集により新たな源の確認が期待される。