[論文レビュー] Results of the Pierre Auger Observatory on Astroparticle Physics

S. Andringa|arXiv (Cornell University)|May 20, 2010

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 4被引用数 4

ひとこと要約

ピエール・オージェ観測所は、地上検出器と蛍光望遠鏡を組み合わせたハイブリッド検出技術を用いて、超高エネルギー宇宙線を測定し、エネルギーおよび到達方向の高精度再構成を達成している。主な結果として、約10^18.6 eVにおける宇宙線スペクトルの遷移（「アングル」）の証拠と、10^19.5 eVを超えるエネルギー領域での急激なフラックス抑制が得られ、これは銀河系内および銀河外源の混合と、重い核種の光分解の可能性を示唆している。

ABSTRACT

The Pierre Auger Observatory has already collected more ultra high energy cosmic ray data than all the previous experiments. With an hybrid detection technique, it can provide coherent results on the flux, energy spectrum and arrival directions of the highest energy cosmic rays, and characterize the extensive air showers in order to probe the primary particle characteristics and its interactions. These results will be presented from the point of view of particle physics.

研究の動機と目的

• 10^17.5 eVを超える超高エネルギー宇宙線（UHECR）のエネルギースペクトル、フラックス、到達方向を特徴付けること。
• Xmax（シャワー最大深さ）と粒子密度プロファイルの測定を通じて、一次宇宙線の組成を特定すること。
• 大気シャワーを自然実験室として用い、人為的加速器では到達できないエネルギー領域における素粒子物理学を探る。
• 地上検出器と蛍光検出器のハイブリッドキャリブレーションを通じて、エネルギーおよび方向再構成における系統的不確実性を低減すること。
• インフィル配列と強化されたFD能力を用いて、北半球への観測カバーを拡大し、低エネルギー成分への感度を向上させること。

提案手法

• ハイブリッド検出システムを採用：1.5 km間隔で配置された1600台のウォーターチェレンコフ地上検出器（3000 km²をカバー）と、各4台の蛍光検出器サイト（各6台の望遠鏡を有する）。
• 25 nsのサンプリングとタイミング分解能を用いて、地上検出器で荷電粒子信号を測定し、方向再構成を実施。
• フォトマルチプライヤー管（1台の望遠鏡あたり440ピクセル）を用いて蛍光光イメージングを行い、100 nsの時間チャンクで縦方向シャワー発展を再構成。
• 地上検出器の粒子密度と蛍光光強度を組み合わせ、エネルギー推定器のキャリブレーションおよびXmax（一次粒子質量の代理指標）の決定を実施。
• アスベスト、オゾン、水蒸気などの冗長な大気モニタリングを実施し、蛍光光の減衰および散乱効果を補正。
• 同時FD/SDイベントを用いてエネルギースケールのクロスキャリブレーションを実施し、シミュレーション依存のエネルギー再構成への依存度を低減。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超高エネルギー宇宙線のエネルギースペクトルは何か？ 例えばアングルや抑制といった特徴は存在するか？
• RQ2 一次宇宙線の組成はエネルギーに応じてどのように変化するのか？ Xmaxの測定結果は一次粒子の性質をどのように示唆するか？
• RQ3 10^19.5 eVを超える観測されたフラックス抑制は、宇宙背景放射における重い核種の光分解によってどの程度説明可能か？
• RQ4 磁場および銀河間空間での伝播が、アングルエネルギーよりも高いエネルギーの荷電宇宙線の到達方向に与える影響は何か？
• RQ5 単一検出法と比較して、ハイブリッド検出技術はエネルギーおよび方向再構成における系統的不確実性をどの程度低減できるか？

主な発見

• エネルギーにE³を乗じた宇宙線フラックスは、2つの特徴的なスペクトル的特徴を示す：log(E/eV) = 18.6における「アングル」と、log(E/eV) = 19.5における抑制。
• アングル特徴は、銀河系内宇宙線から銀河外宇宙線への遷移を示唆し、後者ではより高い反応断面積または多重性を示す。
• 10^19.5 eVを超えるフラックス抑制は、グライゼン＝ザツェピン＝クズミン（GZK）カットオフと整合的であり、重い核種の光分解とCMBとの相互作用によるエネルギー損失を示唆している。
• エネルギー再構成における系統的不確実性は22％まで低減され、主に蛍光検出器によるキャリブレーションおよび大気モニタリングのおかげである。
• 地上検出器で再構成された方向の角度分解能は1度未満であり、UHECRの到達方向の高精度な天球マッピングが可能である。
• ハイブリッド手法により、蛍光光を用いた直接的エネルギー測定が可能となり、全地上検出器データセットへの高精度エネルギーキャリブレーションが実現され、シミュレーションへの依存度が最小限に抑えられた。