[論文レビュー] Relative abundances of cosmic ray nuclei B-C-N-O in the energy region from 10 GeV/n to 300 GeV/n. Results from ATIC-2 (the science flight of ATIC)

А. Д. Панов, N. V. Sokolskaya+20 more|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2007

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 18

ひとこと要約

本論文は、ATIC-2高圧気球実験における改良された電荷分解能を用いて、10〜300 GeV/nのエネルギー範囲で宇宙線B/C、C/O、N/Oフラックス比の高精度測定を提示する。シリコンマトリックスと上部シンチレーター走査器レイヤーを組み合わせることで、背景を低減し、電荷分解能を向上させ、エネルギーに伴い減少するB/C比を取得した。これは宇宙線伝搬モデルと整合的であるが、モデルの区別を制限する大きな不確実性を伴う。

ABSTRACT

The ATIC balloon-borne experiment measures the energy spectra of elements from H to Fe in primary cosmic rays from about 100 GeV to 100 TeV. ATIC is comprised of a fully active bismuth germanate calorimeter, a carbon target with embedded scintillator hodoscopes, and a silicon matrix that is used as the main charge detector. The silicon matrix produces good charge resolution for protons and helium but only partial resolution for heavier nuclei. In the present paper, the charge resolution of ATIC was improved and backgrounds were reduced in the region from Be to Si by using the upper layer of the scintillator hodoscope as an additional charge detector. The flux ratios of nuclei B/C, C/O, N/O in the energy region from about 10 GeV/nucleon to 300 GeV/nucleon obtained from this high-resolution, high-quality charge spectra are presented, and compared with existing theoretical predictions.

研究の動機と目的

• 上部シンチレーター走査器レイヤーを追加の電荷検出器として用いることで、ATIC-2実験における軽い宇宙線核（B、C、N、O）の電荷分解能を向上させること。
• 特にシリコンマトリックスの分解能が悪い5〜8の電荷範囲において、ボロンと炭素の電荷スペクトルにおける背景汚染を低減すること。
• 10–300 GeV/nのエネルギー範囲でB/C、C/O、N/Oの相対フラックス比を高精度で測定し、宇宙線伝搬モデルの検証を行うこと。
• 大気中相互作用および機器応答効果を補正して、大気上層での一次フラックスを導出すること。
• 漏れ箱モデルにおける理論的予測と測定比を比較し、異なる伝搬メカニズムの妥当性を評価すること。

提案手法

• 主粒子の電荷は、BGOキャロリメータとシリコンマトリックスからの軌跡情報に基づき再構築され、上部走査器レイヤーの42本の平行シンチレーター素子からの追加電荷測定も用いられる。
• シリコンマトリックス電荷（Q_Si）とシンチレーター素子電荷（Q_Sci）の整合性に基づいてイベントを選別し、|Q_Si - Q_Sci| ≤ 0.25 かつ再構築軌跡からの空間的近接性（≤5 cm）を満たす条件を課す。
• 最終的な電荷は平均値として計算され、Q = (Q_Si + Q_Sci)/2 とし、分解能を向上させるとともに背景を低減するが、統計量は約4倍減少する。
• プロトンおよびヘリウム（p, He）が機器内で相互作用する背景は、FLUKAシミュレーションを用いて差し引かれる。ボロンの最高エネルギー領域では最大36%の補正が行われる。
• 機器による広がりおよび誤再構築を補正するため、電荷応答行列 K^q_q' を構築し、観測された電荷スペクトルから真のフラックスをアンフォールドする。
• 大気補正には、FLUKAでシミュレートされた断片化係数 L^q_q' を用い、三角行列かつ対角優勢な連立一次方程式を解き、大気上層での一次フラックスを回復する。
• エネルギー依存のフラックス比は、幾何平均エネルギー点での補間を経て導出され、大気吸収補正が施され、モンテカルロ法による完全な誤差伝搬が行われる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 上部シンチレーター走査器レイヤーの導入は、ATIC-2における軽い宇宙線核の電荷分解能および背景抑制をどのように向上させるか？
• RQ2 10–300 GeV/nの範囲で、正確なエネルギー依存のB/C、C/O、N/Oフラックス比は何か？ また、既存のデータおよび理論的モデルと比較するとどうなるか？
• RQ3 大気中相互作用および機器応答効果は、測定フラックス比にどの程度影響を与えるか？ これらの効果を補正して一次宇宙線スペクトルを回復するにはどうすればよいか？
• RQ4 高エネルギー領域での測定B/C比は、異なる逃げ出し長さを想定する漏れ箱モデルの間を区別できるか？
• RQ5 フラックス比における実験的不確実性は、宇宙線伝搬の競合する理論的モデルを区別する能力にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• B/C比は19.9 GeV/nで0.180 ± 0.011から307 GeV/nで0.064 ± 0.063に低下し、高エネルギー領域でスペクトルがゆるむ傾向を示している。
• N/O比は19.9 GeV/nで0.219 ± 0.010から307 GeV/nで0.144 ± 0.068に低下し、銀河間空間での二次生成産に一致する。
• C/O比はほぼ一定で~1.0を示し、19.9 GeV/nで1.020 ± 0.026から307 GeV/nで1.022 ± 0.227の範囲にとどまり、このエネルギー範囲でエネルギー依存性がほとんどないことを示唆している。
• 大気補正により、B/C比はエネルギー全域で13%〜33%低下し、高エネルギー領域で断片化が増加するため、補正が最大になる。
• 測定されたB/CおよびN/O比は、類似エネルギー領域のHEAO-3-C2の値よりもわずかに高いが、最大307 GeV/nまで到達するため、統計的到達範囲が向上している。
• 分解能および背景抑制が向上したにもかかわらず、実験的不確実性は依然として大きく、異なる逃げ出し長さを想定する伝搬モデルの区別ができない。