[論文レビュー] Recent results from the Pierre Auger Observatory

J. W. Cronin|ArXiv.org|Nov 24, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、2004年から2009年までのピエール・オーディエ・オブザーバトリ（Pierre Auger Observatory）の主要な結果を提示する。ハイブリッド検出システムにより、地上検出器と蛍光望遠鏡を組み合わせ、超高エネルギー宇宙線を研究した。宇宙線スペクトルの急激な傾きの変化が、GZK効果と整合的であることが報告され、55 EeVを超えるエネルギーで到達方向の非一様性の証拠が得られ、最高エネルギー帯での延長率の測定から軽い成分であることが示唆された。これらの結果は、源の同定や強子相互作用モデルの制約に大きな意味を持つ。

ABSTRACT

We report on the observations of cosmic rays with energies > 1.0 EeV from Jan 2004 to April 2009 by the Pierre Auger Observatory. During this period the Observatory has grown from about 300 surface detectors to about 1600 upon its completion in November 2008. The 1600 surface detectors are overlooked by 24 fluorescence telescopes. We report on measurements of the cosmic ray spectrum, the arrival directions and the elongation rate. We also report limits for the photon and neutrino components of this cosmic radiation.

研究の動機と目的

• 宇宙線スペクトルを超高エネルギー（≥10^18 eV）で測定し、宇宙背景放射との相互作用によって予測されるGZKカットオフの有無を検証すること。
• 到達方向の非一様性を調査し、約100 Mpc圏内の既知の銀河間源との関連を特定すること。
• 延長率とシャワー発展パラメータを用いて、最高エネルギー帯における宇宙線の組成を特定すること。
• ハイブリッド検出技術を用いて、宇宙線フラックスにおける光子成分およびニュートリノ成分の割合に上限を設定すること。
• ゴールデン・ハイブリッドイベントを活用することで、ハドロン相互作用モデルに依存しないエネルギーキャリブレーションを実現し、表面検出器の絶対キャリブレーションを確立すること。

提案手法

• 1600台の地上検出器（水チェレンコフタンク）と24台の蛍光望遠鏡を用いたハイブリッド検出により、一致イベントを介してシャワーの幾何構造を高精度で再構築可能である。
• 表面検出器と蛍光検出器の両方で同時に検出されたゴールデン・ハイブリッドイベントを用い、ハドロン相互作用モデルに依存しない表面検出器のエネルギー応答をキャリブレーションした。
• 大気中のシャワー発展の蛍光測定に基づくエネルギーキャリブレーションを実施し、大気モニタリングと既知の蛍光発光収率を用いて絶対キャリブレーションを達成した。
• 2点レイリー検定を用いて、ソースカタログに依存しない到達方向の等方性を評価し、15の区間で角度ペア分布を用いた。
• 等方的分布のモンテカルロシミュレーションを実施し、測定された非一様性を観測する確率を算出し、1イベントサンプルあたり10^5回の試行を実施した。
• 表面検出器におけるシャワーの横方向発展と信号振幅を、垂直等価ミューオン（VEM）を用いて解析し、シャワーのエネルギーと幾何構造を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 10^19.5 eVを超えるエネルギー帯で、宇宙線スペクトルにGZK効果と整合する抑制が観測されるか？
• RQ2 超高エネルギー宇宙線の到達方向に非一様性が見られ、かつ100 Mpc圏内の既知の銀河間源と相関するか？
• RQ3 延長率とシャワー発展の観点から、10^19 eV以上のエネルギー帯における宇宙線の組成は何か？
• RQ4 ソースカタログとの照合に依存せずに到達方向の非一様性を検出可能か？その統計的有意性は？
• RQ5 ハイブリッドイベントを用いることで、どの程度ハドロン相互作用モデルに依存しないエネルギーキャリブレーションが可能になるか？

主な発見

• 10^19 eVを超えるエネルギー帯で、宇宙線スペクトルに急激な傾きの変化が観測され、GZK効果と整合的であり、スペクトルのカットオフを示唆している。
• 55 EeVを超えるイベントに対して、到達方向に顕著な非一様性が観測され、2点レイリー検定により等方性確率が1.8×10^−3にまで低下し、等方性からの強く顕著な逸脱が示された。
• 最高エネルギー帯で測定された延長率は、軽い核種または陽子が支配的である組成を示唆しており、一部のハドロン相互作用モデルの予測とは矛盾する。
• ハイブリッド検出システムにより、ハドロンモデルに依存しないエネルギーキャリブレーションが可能となり、スペクトルおよび組成測定の信頼性が向上した。
• 観測された非一様性と延長率は、標準モデル下では互いに整合しないことが判明し、未解決の矛盾が残っている。
• 観測所の稼働率は表面検出器でほぼ100％であり、補助装置の追加により、10^17 eV未満のエネルギー範囲までカバー可能となり、3桁のエネルギー範囲をカバーできるようになった。