[論文レビュー] Recent Results from Telescope Array

M. Fukushima|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、6年間の表面検出器データを用いて、超高エネルギー宇宙線（UHECR）のエネルギースペクトルと非等方性を分析したTelescope Array実験の最新結果を提示する。スペクトルにはGZK効果に一致する明確なディップとカットオフが観測され、うなずき座付近に4σのホットスポットが特定され、10^18.2〜10^19.2 eVのエネルギー領域ではXMAX値が陽子または軽い原子核の組成に一致しており、これらのエネルギーで陽子主導の組成が支持される。

ABSTRACT

The Telescope Array (TA) is an experiment to observe Ultra-High Energy Cosmic Rays (UHECRs). TA's recent results, the energy spectrum and anisotropy based on the 6-year surface array data, and the primary composition obtained from the shower maximum Xmax are reported. The spectrum demonstrates a clear dip and cutoff. The shape of the spectrum is well described by the energy loss of extra-galactic protons interacting with the cosmic microwave background (CMB). Above the cutoff, a medium-scale (20 degrees radius) flux enhancement was observed near the Ursa-Major. A chance probability of creating this hotspot from the isotropic flux is 4.0 sigma. The measured Xmax is consistent with the primary being proton or light nuclei for energies 10^18.2 eV - 10^19.2 eV.

研究の動機と目的

• 6年間のTelescope Array表面検出器データを用いて、超高エネルギー宇宙線（UHECR）のエネルギースペクトルと非等方性を測定すること。
• ハイブリッドイベントからのシャワー最大（XMAX）測定を用いて、10^18.2 eV以上のUHECRの主成分組成を特定すること。
• 陽子が宇宙マイクロ波背景放射と相互作用するGZKカットオフ仮説を、観測されたスペクトル特徴と陽子の相互作用による理論予測とを比較することで検証すること。
• UHECR到達方向分布における方向的強化（ホットスポット）の有無を探索し、等方性に対する有意水準を評価すること。
• TA×4アップグレードを通じて、将来のUHECR研究計画を立て、57 EeV以上で検出器の受容域を4倍に拡大し、組成および非等方性解析の統計的パワーを向上させること。

提案手法

• エネルギースペクトルは、700 km²をカバーする507個の表面検出器（SD）を用いて6年間の運用で得られた17,763件のSDイベント（10^18.2 eV以上）から導出された。
• ハイブリッドイベント（同時にSDおよび蛍光検出器（FD）による測定）を用いて、エネルギーのクロスキャリブレーションとXMAX（シャワー最大の深さ）を決定した。
• FDシステムは、月のない晴れた夜に約10％の稼働率で稼働し、高速イメージング望遠鏡を用いてシャワーの縦方向発展を記録し、一次エネルギーとXMAXを再構築した。
• 非等方性の統計的有意性は、うなずき座の周囲20°半径の円領域を用い、観測されたイベント数を等方的期待値と比較することで評価された。
• QGSJET-II-03の強子相互作用モデルを用いたモデルシミュレーションにより、観測されたXMAX分布を陽子、鉄、混合組成の予測と比較した。
• TA×4アップグレード計画では、2.1 km間隔で500個の追加SDを設置し、1〜2か所の新しいFDステーションを追加することで、SD受容域を4倍に、ハイブリッド受容域を57 EeV以上で2倍に拡大する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測されたUHECRエネルギースペクトルに、宇宙マイクロ波背景放射との陽子相互作用によるGZK効果に一致するディップとカットオフが見られるか？
• RQ2 UHECR到達方向分布に顕著な方向的強化（ホットスポット）が存在するか？その統計的有意水準はいかほどか？
• RQ3 10^18.2〜10^19.2 eVのエネルギー範囲におけるUHECRの主成分組成は、XMAX測定からどのように推定されるか？
• RQ4 観測されたXMAX値は、陽子、鉄、または混合組成のシミュレーションとどのように比較されるか？
• RQ5 TA×4アップグレードプロジェクトは、GZKカットオフおよびホットスポット構造の研究における統計的精度と分解能を著しく向上させ得るか？

主な発見

• エネルギースペクトルには、10^18.7 eVで明確なディップと10^19.7 eVでカットオフが観測され、これは宇宙マイクロ波背景放射との銀河間陽子相互作用に起因するGZK効果と一致する。
• 20°半径のマクロスケールのフラックス強化が、うなずき座付近で観測され、偶然の確率は4.0σであった。これは、UHECR到達方向における顕著な非等方性を示している。
• 測定された<XMAX>値は、10^18.2 eV〜10^19.2 eVのエネルギー範囲で陽子または軽い原子核の主成分組成と一致しており、100％鉄組成とは一致しない。
• 観測されたスペクトルと非等方性は、赤方偏移z < 0.7の領域で、源スペクトルがE^-2.2、源の進化が(1+z)^6.4であると仮定したモデル計算でよく説明できる。
• TA×4アップグレードプロジェクト（2017〜2020年計画）では、SD受容域を4倍に、ハイブリッド受容域を2倍に拡大し、57 EeV以上のイベントを250件以上に増加させ、ホットスポットの7σ以上での確認が可能になる。
• 統計的精度が向上することで、将来的にはカットオフの形状を詳細に調査し、ホットスポット領域のサブ構造および組成を解明できるようになる。