[論文レビュー] Observation of shadowing of the cosmic electrons and positrons by the Moon with IACT

P. Colin, D. Borla Tridon+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、画像大気チェレンコフ望遠鏡（IACT）を用いて観測された宇宙線電子および陽電子フラックスにおける月の影を用いて、300 GeV以上のエネルギー領域、特に1 TeV付近での $e^+$/ $e^-$ 確率比を測定することを提案している。ここでは、従来のモデルが異常を示す領域である。この手法は、地球磁気圏による荷電粒子の偏光を活用し、$e^+$、$e^-$、$\bar{\text{e}}$-線の影を空間的に分離することで、高エネルギー領域における固有の粒子識別が困難なIACTがこれらの粒子を間接的に検出可能にする。

ABSTRACT

Recent measurements of the cosmic-ray electron (e-) and positron (e+) fluxes show apparent excesses compared to the spectra expected by standard cosmic-ray (CR) propagation models in our galaxy. These excesses may be related to particle acceleration in local astrophysical objects, or to dark matter annihilation/decay. The e+/e- ratio (measured up to ~100 GeV) increases unexpectedly above 10 GeV and this may be connected to the excess measured in all-electron flux at 300-800 GeV. Measurement of this ratio at higher energies is a key parameter to understand the origin of these spectral anomalies. Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes (IACT) detect electromagnetic air showers above 100 GeV, but, with this technique, the discrimination between primary e-, e+ and diffuse gamma-rays is almost impossible. However, the Moon and the geomagnetic field provide an incredible opportunity to separate these 3 components. Indeed, the Moon produces a 0.5deg-diameter hole in the isotropic CR flux, which is shifted by the Earth magnetosphere depending on the momentum and charge of the particles. Below few TeV, the e+ and e- shadows are shifted at >0.5deg each side of the Moon and the e+, e- and gamma-ray shadows are spatially separated. IACT can observe the e+ and e- shadows without direct moonlight in the field of view, but the scattered moonlight induces a very high background level. Operating at the highest altitude (2200m), with the largest telescopes (17m) of the current IACT, MAGIC is the best candidate to reach a low energy threshold in these peculiar conditions. Here we discuss the feasibility of such observations.

研究の動機と目的

• 300 GeV以上のエネルギー領域、特に1 TeV付近で観測される宇宙線電子および陽電子フラックスのスペクトル異常が新しい物理学を示唆する領域において、$e^+$/ $e^-$ 確率比を測定すること。
• IACTが荷電粒子 $e^+$、$e^-$、$ar{\text{e}}$-線のシャワーを区別する能力に制限があることを補うために、荷電粒子の地球磁気圏による偏光を利用すること。
• 月の影を天然の分光器として用い、IACT観測所におけるエネルギーエネルギーリングおよびモンテカルロシミュレーションの妥当性を検証すること。
• 高バックグラウンド条件下での $e^-$ 影の検出を活用して、$e^+$および拡散 $ar{\text{e}}$-線フラックスを間接的に制約すること。
• 現在および次世代のIACTアレイが、散乱月光に起因する高バックグラウンド条件下でも $e^+$ および $e^-$ 影を検出可能かどうかの妥当性を評価すること。

提案手法

• 宇宙線フラックスにおける月の影（直径0.5°）が、粒子の電荷および運動量に応じて地球磁気圏の影響を受けてずれる現象を活用すること。
• 地球磁気圏による偏光を用いて、$e^+$ 影（東側にずれる）と $e^-$ 影（西側にずれる）を空間的に分離し、$ar{\text{e}}$-線影（月の真の位置）とも区別すること。
• 2200 mの高度に位置する大型望遠鏡（17 m）を備えたIACT（例：MAGIC）を運用し、低エネルギー閾値を達成し、明るい月光下でも感度を向上させること。
• 陽子およびヘリウム誘発シャワーを含むハドロン的バックグラウンドから $e^-$-様シャワーを区別するための高度な再構成および選別カットを適用すること。
• 陽子およびヘリウムシャワーのモンテカルロシミュレーションを用いて、ハドロン的月影寄与をモデル化・差し引くことで、$e^+$ および $e^-$ シグナルの抽出を可能にすること。
• IACTにおける $e^-$-影検出をプロキシとして用い、$e^+$ および拡散 $ar{\text{e}}$-線フラックスの上界を導出すること。これは、IACTにおける $e^-$ と $ar{\text{e}}$-線の分離が良好であることに起因する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IACTデータにおける月影効果を用いて、300 GeV以上のエネルギー領域、特に1 TeV付近での $e^+$/ $e^-$ 確率比を測定可能か？
• RQ2 地球磁気圏による偏光が、IACT観測において $e^+$、$e^-$、$ar{\text{e}}$-線影をどの程度空間的に分離可能か？
• RQ3 散乱月光に起因する高バックグラウンド条件下でも、現在のIACT（例：MAGIC）が $e^-$ および $e^+$ 影を検出可能か？
• RQ4 $e^-$ 影検出をどのように活用して、高エネルギー領域における $e^+$ フラックスおよび拡散 $ar{\text{e}}$-線フラックスを制約できるか？
• RQ5 本手法を用いた次世代IACTアレイでは、感度およびエネルギー範囲にどの程度の向上が期待できるか？

主な発見

• $e^-$ 影は、300 GeV以上でクレーブスネビュラフラックスの3–5％のフラックス欠損をもたらすと予想され、現在のIACT（例：MAGIC）で検出可能である。
• $e^-$ 影の検出には10～50時間の観測が必要とされ、月光制約により年間約15時間しか利用できないため、複数年の測定キャンペーンを要する。
• $e^+$ 影の検出は、フラックス欠損が小さく、ハドロン的シャワーと混同されるおそれがあるため、より困難であり、さらなる詳細なモンテカルロシミュレーションが要る。
• $e^-$ 影の検出は、300 GeV以上のエネルギー領域における $e^+$ および拡散 $ar{\text{e}}$-線フラックスの上界を導出可能である。
• 次世代IACTでは、より大きな望遠鏡および広視野設計を用いることで、$e^-$ 影検出時間は5時間未満に短縮され、利用可能なエネルギー範囲は150 GeVから3 TeVに拡張される見込みである。
• 本手法は、IACTの直接的かつ独立的なエネルギーエネルギーリングを提供し、高エネルギー天体物理学で用いられるモンテカルロシミュレーションプログラムに対する厳密なテストを可能にする。