[論文レビュー] On the Observation of the Cosmic Ray Anisotropy below 10$^{15}$ eV

G. Di Sciascio, R. Iuppa|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2014

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 5被引用数 18

ひとこと要約

この論文は、10¹⁵ eV未満の宇宙線の異方性に関する観測的証拠をレビューし、10⁻⁴から10⁻³の振幅で、恒星時における一貫した大規模な異方性を特定している。この異方性は、『テイルイン』過剰（右帰延 40°–90°）と『ロスコーン』欠損（150°–240° R.A.）を示しており、銀河磁場による偏光が強いと予想されるが、依然として持続している。標準的な宇宙線伝搬モデルや銀河磁場モデルでは、大規模および中規模の特徴を同時に説明できず、現在の天体物理学理論における重要なギャップを示している。

ABSTRACT

The measurement of the anisotropy in the arrival direction of cosmic rays is complementary to the study of their energy spectrum and chemical composition to understand their origin and propagation. It is also a tool to probe the structure of the magnetic fields through which cosmic rays travel. As cosmic rays are mostly charged nuclei, their trajectories are deflected by the action of galactic magnetic field they propagate through before reaching the Earth atmosphere, so that their detection carries directional information only up to distances as large as their gyro-radius. If cosmic rays below $10^{15}{ m\,eV}$ are considered and the local galactic magnetic field ($\sim3{ m\,μG}$) is accounted for, gyro-radii are so short that isotropy is expected. At most, a weak di-polar distribution may exist, reflecting the contribution of the closest CR sources. However, a number of experiments observed an energy-dependent \emph{"large scale"} anisotropy in the sidereal time frame with an amplitude of about 10$^{-4}$ - 10$^{-3}$, revealing the existence of two distinct broad regions: an excess distributed around 40$^{\circ}$ to 90$^{\circ}$ in Right Ascension (commonly referred to as "tail.in" excess) and a deficit (the "loss cone") around 150$^{\circ}$ to 240$^{\circ}$ in Right Ascension. In recent years the Milagro and ARGO-YBJ collaborations reported the of a "medium" scale anisotropy inside the tail-in region. The observation of such small features has been recently claimed by the IceCube experiment also in the Southern hemisphere. So far, no theory of cosmic rays in the Galaxy exists which is able to explain the origin of these different anisotropies leaving the standard model of cosmic rays and that of the galactic magnetic field unchanged at the same time.

研究の動機と目的

• 10¹⁵ eV未満のエネルギー範囲における宇宙線異方性の観測的証拠を分析すること。このエネルギー範囲では、強い磁場による偏光が予想され、等方的になるはずである。
• 複数の実験で観測された恒星時における『テイルイン』過剰と『ロスコーン』欠損を示す大規模な恒星時異方性の起源を調査すること。
• 現在の宇宙線伝搬および銀河磁場モデルが、大規模および中規模の異方性の共存を説明できるかどうかを評価すること。
• 標準宇宙線モデルや銀河磁場モデルを変更せずに、大規模な双極子的異方性と局所的な中規模特徴を同時に説明できる統一理論的枠組みが存在しないことの重要性を強調すること。

提案手法

• Milagro、ARGO-YBJ、IceCubeを含む地上の宇宙線検出器からのデータ分析。恒星時における到達方向分布に注目する。
• 2次元天球図を用いて、特に『テイルイン』領域（40°–90° R.A.）における局所的異方性特徴を特定する。
• 10¹¹ eV から 10¹⁴ eV のエネルギー範囲で、異方性の振幅と位相のエネルギー依存性を評価する。
• 拡散係数 D が剛性 R に依存する（D ∝ R⁰.¹⁵–⁰.⁶）モデルを含む、宇宙線拡散の理論的モデルの評価を行い、観測された異方性を再現できるかを検討する。
• ハリオスフィア磁場内の磁気再結合や、局所銀河間磁場における乱流散乱といった代替メカニズムの調査。
• 異方性特徴と銀河間高エネルギー中性原子分布およびハリオスフィア構造との相関をとり、外部要因の影響を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 10¹⁵ eV未満の宇宙線到達方向に、強い銀河磁場による偏光が予想されるが、なぜ10⁻⁴から10⁻³の振幅の恒星的異方性が持続するのか？
• RQ2 恒星時フレームで観測された『テイルイン』過剰（40°–90° R.A.）と『ロスコーン』欠損（150°–240° R.A.）を同時に説明できる物理的メカニズムは何か？
• RQ3 Milagro や ARGO-YBJ が『テイルイン』領域で報告した中規模の異方性は、標準的な宇宙線伝搬拡散モデルとどのように調和できるか？
• RQ4 ハリオスフィア磁場との相互作用や、銀河間媒体内の乱流的リップルが、観測されたエネルギー依存性を持つ異方性特徴を説明できるか？
• RQ5 なぜ既存の銀河内宇宙線伝搬理論では、標準宇宙線モデルおよび銀河磁場モデルを維持したまま、大規模および小規模な異方性を同時に説明できないのか？

主な発見

• 複数の実験で、恒星時フレームにおいて一貫して、振幅 10⁻⁴ から 10⁻³ の大規模な異方性が観測されており、右帰延 40° から 90° の『テイルイン』過剰と、150° から 240° の『ロスコーン』欠損が確認されている。
• 10¹¹ eV から 10¹⁴ eV のエネルギー範囲にわたり、位相と振幅が一貫しており、安定した方向性モodulation であることが示されている。
• Milagro と ARGO-YBJ は『テイルイン』領域内で中規模の異方性を報告しており、宇宙線フラックス内に局所的な構造がある可能性を示唆している。
• IceCube 研究チームは、最近、南半球でも同様の中規模の異方性の証拠を報告しており、現象の空間的カバー範囲が拡大された。
• 標準宇宙線伝搬フレームワークおよび標準銀河磁場モデルに基づく理論的モデルでは、大規模な双極子的異方性と局所的な中規模特徴の両方を同時に説明できない。
• これらの特徴の共存は、現在の理解を挑戦しており、磁場構造および粒子散乱の新たな物理学的解釈、もしくはモデルの洗練化が求められていることを示唆している。