[論文レビュー] Observations of Large Scale Sidereal Anisotropy in 1 and 11 TeV cosmic rays from the MINOS experiment

J. M. G. H. J. de Jong|University of North Texas Digital Library (University of North Texas)|Nov 11, 2011

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 10

ひとこと要約

MINOS実験は、地下94 mの近接検出器と地下720 mの遠方検出器で測定されたミューオンを用いて、1 TeVおよび11 TeVのエネルギーで宇宙線の広域の恒星的非等方性を測定している。1 TeVでは8.2 × 10⁻⁴、11 TeVでは3.8 × 10⁻⁴のダイポール非等方性振幅を観測し、位相シフトにより方向依存性が示され、銀河的または太陽系圏の調制効果と整合的である。

ABSTRACT

The MINOS Near and Far Detectors are two large, functionally-identical, steel-scintillating sampling calorimeters located at depths of 220 mwe and 2100 mwe respectively. The detectors observe the muon component of hadronic showers produced from cosmic ray interactions with nuclei in the earth's atmosphere. From the arrival direction of these muons, the anisotropy in arrival direction of the cosmic ray primaries can be determined. The MINOS Near and Far Detector have observed anisotropy on the order of 0.1% at 1 and 11 TeV respectively. The amplitude and phase of the first harmonic at 1 TeV are 8.2$\pm$1.7(stat.)$ imes 10^{-4}$ and (8.9$\pm$12.1(stat.))$^{\circ}$, and at 11 TeV are 3.8$\pm$0.5(stat.)$ imes 10^{-4}$ and (27.2$\pm$7.2(stat.))$^{\circ}$.

研究の動機と目的

• ミューオン検出を用いて、1 TeVおよび11 TeVのエネルギー帯で広域の恒星的非等方性を測定すること。
• これらのエネルギー帯における宇宙線非等方性の第一調和の振幅と位相を特定すること。
• 恒星的非等方性を模倣する可能性がある検出器の受容性および大気温度の影響を補正すること。
• 高統計データを用いて、1 TeVにおける2次元の有意性スカイマップを生成すること。
• ARGO-YBJ や IceCube などの先行実験と比較し、方向パターンの妥当性を検証すること。

提案手法

• 機能的に同一のスチール・シンチレーションサンプリング・カロリメーター（MINOS 近接検出器および遠方検出器）を用いて、大気シャワーから生じるミューオンを検出する。
• ミューオンが元の一次宇宙線の進行方向にほぼ平行に進行すると仮定し、一次宇宙線の進行方向をミューオンの軌跡から推定する。
• イベント選別カットを適用：単一の軌跡、2 m以上の長さ、頂点が検出器端縁から50 cm以内、χ²/自由度 < 1、残差 < 0.04 m、良好な走行状態。
• スパurious非等方性を除去するために、検出器の稼働時間および季節的温度変化を補正する式 ΔRμ / ⟨Rμ⟩ = αT ΔTeff / ⟨Teff⟩ を使用する。
• 稼働時間および露出量の変動を補正した、右赤経ビンごとの率重み付きイベント数を用いてスカイマップを構築する。
• 1次元非等方性を2次調和にフィットする：A(α) = 1 + Σ An cos[nπ(α−φn)/180]、有意性は σ(α,δ) = [N(α,δ)−⟨N(δ)⟩]/√⟨N(δ)⟩ で計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1 TeVおよび11 TeVのエネルギー帯における宇宙線非等方性の第一調和の振幅と位相は何か？
• RQ2 1 TeVから11 TeVの間で、一次宇宙線エネルギーに応じて非等方性振幅はどのように変化するか？
• RQ3 観測された非等方性は、銀河の回転や太陽系圏効果といった既知の天体物理学的メカニズムと整合的か？
• RQ4 高統計データを用いて、1 TeVにおける2次元の有意性スカイマップを信頼性高く再構築できるか？
• RQ5 観測された方向的特徴（例：銀河中心付近の欠落、太陽風尾方向の過剰）は、先行実験の予測と一致するか？

主な発見

• 第一調和非等方性の振幅は、1 TeVで8.2 × 10⁻⁴ ± 1.7 × 10⁻⁴（統計誤差）、11 TeVで3.8 × 10⁻⁴ ± 0.5 × 10⁻⁴（統計誤差）である。
• 第一調和の位相は、1 TeVで8.9° ± 12.1°、11 TeVで27.2° ± 7.2°であり、エネルギーに伴う方向的シフトを示している。
• 遠方検出器で右赤経150°〜245°の範囲に5.3σの欠落が観測され、偶然の確率は0.001%である。
• 近接検出器では、右赤経155°〜225°の範囲に11.1σの欠落、50°〜140°の範囲に7.8σの過剰が観測され、両者とも偶然の確率は0.0001%未満である。
• 1 TeVの2次元有意性スカイマップは、北銀河極付近（右赤経192°、赤緯+27°）に顕著な欠落と、太陽風尾方向に過剰を示している。
• 1 TeVのスカイマップは、ARGO-YBJの先行観測と整合的であり、MINOSの測定手法および結果の妥当性が裏付けられている。