[論文レビュー] Probing the CR positron/electron ratio at few hundreds GeV through Moon shadow observation with the MAGIC telescopes

P. Colin, Daniela Borla Tridon+7 more|Oct 2, 2011

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、MAGIC Cherenkov望遠鏡を用いて月影効果を用いて300–700 GeVにおける宇宙線陽電子/電子比を測定する初の試みを提示する。地球磁場による荷電粒子の偏光を活用し、高背景光の月明かり下でも月の影を観測することで、課題が伴うが実現可能性を示した。感度は4.4% Crab Unitに相当し、検出には50–200時間の観測が必要であり、今後のCTAのような次世代機器による迅速な結果得られるようになることが強調されている。

ABSTRACT

The antimatter components measured in the Cosmic Ray (CR) flux are thought as secondary particles induced by the propagation of galactic CRs within the galaxy. Recent results from the PAMELA experiment show an unexpected increase of the positron electron ratio above 10 GeV. There could be different interpretations to explain that result, the most discussed ones being the signature of nearby compact astrophysical source(s) or of dark matter annihilation/decay. Probing the positron-fraction rise above 100 GeV would help to disentangle among different scenarios. Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes (IACT) can extract the cosmic lepton signal from the hadronic CR background between a few hundred GeV and a few TeV and reconstruct energy and incident direction with a very good resolution. In addition, by using the natural spectrometer formed by the Moon and the geomagnetic field, it is possible to measure the positron/electron ratio at the TeV regime through the observation of the CR Moon shadow. Despite the technique is particularly challenging because of the high background light induced by the Moon and the treatment of data, the MAGIC collaboration has performed for the first time such observations in 2010 and 2011. Here we present the observation strategy and the performance achieved during this campaign.

研究の動機と目的

• 理論的モデルが乖離する300 GeV以上のエネルギー領域で、全電子スペクトルおよび陽電子分率に観測された異常と関連する宇宙線陽電子/電子比を測定すること。
• イメージング大気Cherenkov望遠鏡（IACTs）を用いて、TeV領域の宇宙線レプトンの自然な分光器として月影効果を用いる可能性を検証すること。
• 月明かりに起因する高夜空背景光の影響を受ける中で、電子および陽電子検出のための角度分解能およびエネルギー分解能を維持すること。
• MAGICを用いた電子および陽電子の月影検出に必要な観測時間と感度を推定し、次世代IACTs（例：CTA）の可能性を評価すること。

提案手法

• 地球／月系を自然な分光器として利用し、月が宇宙線を吸収し、地球磁場が荷電粒子の符号および剛性に応じて偏光することを活用する。
• 高背景光の月明かり下で、MAGIC望遠鏡をステレオスコピックモードで運用し、月の影を観測。画像クリーニングおよび方向再構成技術を用いて、電子誘発シャワーとバリオン的背景を区別する。
• 同様の高夜空背景（NSB）条件下でカブール星雲を観測し、エネルギー閾値および角度分解能をキャリブレーションする。エネルギー閾値は200 GeV、分解能は1度未塔を達成した。
• 粒子のエネルギーおよび符号に応じた予想される月影の形状をシミュレーションし、地球磁場による偏光により東西方向に拡張した欠損が生じることを予測。半値全幅は月の角度サイズの2–3倍程度となる。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、月影における欠損フラックス（全電子スペクトルおよび月の立体角に比例）とカブール星雲のフラックスを比較することで感度を推定する。
• 電子および陽電子の月影検出に必要な観測時間の要件を、100%電子から40%陽電子までの組成仮説の範囲で評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高背景光の月明かりが影響する中で、地上のIACTsを用いた月影効果により、300–700 GeVにおける陽電子/電子比を測定可能か？
• RQ2 高夜空背景光下での現実的な観測条件下で、MAGIC望遠鏡の電子および陽電子月影検出に対する感度はどの程度か？
• RQ3 年間の観測可能期間が限られている中で、MAGICが電子および陽電子月影を統計的に有意に検出するのに要する時間はどの程度か？
• RQ4 MAGICのエネルギーおよび角度分解能は、地球磁場による偏光に起因する拡張した月影構造の検出可能性にどの程度影響を及ぼすか？
• RQ5 次世代IACTs（例：CTA）は、このような測定の感度を向上させ、必要な観測時間をどの程度短縮できるか？

主な発見

• 月影観測中、MAGIC望遠鏡は高夜空背景条件下でも200 GeVのエネルギー閾値および0.1°未満の角度分解能を達成し、電子シャワーの検出に成功した。
• 300 GeV以上のエネルギー領域において、MAGICのカブール星雲フラックスに対する感度は50時間で1.2%のカブールユニットに達した。これは高背景光下でも高い性能を示していることを示している。
• 電子月影検出の推定感度はカブール星雲フラックスの4.4%に相当し、100%電子組成の場合、約50時間の観測が必要であると推定された。
• 陽電子分率が40%の場合、観測時間は約200時間に増加し、20%では800時間以上に達する。これにより、現在のデータ収集速度（年間1回の月影観測で10時間未塔）では、1回のキャンペーン内での検出は現実的ではない。
• 本研究では、次世代IACTs（例：CTA）が電子月影検出に要する時間を5時間未塔に短縮できると予測している。
• 月影効果は、高エネルギー陽電子/電子比を調査する有効な手法であり、強力な月明かり下でも効果的に動作できる機器および長時間積算可能な高感度測定が可能な場合に限って実現可能である。