[論文レビュー] Search for Anisotropy in the Ultra High Energy Cosmic Ray Spectrum using the Telescope Array Surface Detector

Rasha Abbasi, Mitsuru Abe+129 more|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、超高エネルギー宇宙線（UHECR）スペクトルの異方性を、Telescope Array表面検出器を用いて、銀河団平面に近い「オンソース」領域とそれ以外の「オフソース」領域のエネルギースペクトルを比較することで調査した。スペクトルの折り返しエネルギーに3.2σの有意な差が見られ、オフソース領域でより早く抑制が起こっていることが示され、これは陽子を主成分とする仮定と、磁場による偏光が無視できるほど小さいと仮定した伝搬モデルと整合的である。

ABSTRACT

The Telescope Array (TA) experiment is located in the western desert of Utah, USA, and observes ultra high energy cosmic rays (UHECRs) in the Northern hemisphere. At the highest energies, $E>10$~EeV, the shape of cosmic ray energy spectrum may carry an imprint of the source density distribution along the line of sight different in different directions of the sky. In this study, we search for such directional variations in the shape of the energy spectrum using events observed with the Telescope Array's surface detector. We divide the TA field of view into two nearly equal-exposure regions: the "on-source" region which we define as $\\pm 30^\\circ$ of the supergalactic plane containing mostly nearby structures, and the complementary "off-source" region where the sources are further away on average. We compare the UHECR spectra in these regions by fitting them to the broken power law and comparing the resulting parameters. We find that the off-source spectrum has an earlier break at highest energies. The chance probability to obtain such or larger difference in statistically equivalent distributions is estimated as $6.2\\pm1.1\ imes10^{-4}$ ($3.2\\sigma$) by a Monte-Carlo simulation. The observed difference in spectra is in a reasonable quantitative agreement with a simplified model that assumes that the UHECR sources trace the galaxy distribution from the 2MRS catalogue, primary particles are protons and the magnetic deflections can be neglected.

研究の動機と目的

• 異なる視線方向における伝搬効果によって引き起こされるUHECRエネルギースペクトルの方向依存性の調査。
• UHECRスペクトルの形状が、源からの距離および大規模構造の分布によって変調されているかどうかの検証。
• 天の川の異なる領域で観測されたスペクトル差が、統計的ゆらぎに起因するのか、それとも物理的異方性に起因するのかの特定。
• 2MRS銀河カタログに基づく簡略化された伝搬モデルと観測されたスペクトル差の整合性の評価。
• スペクトル形状の異方性が、UHECR源の位置特定および成分の推定にどのように利用できるかの探求。

提案手法

• Telescope Arrayの視野を、ほぼ等しい露出時間を持つ2つの領域に分割：オンソース（銀河団平面から±30°以内）とオフソース。
• 各領域における観測UHECRエネルギー分布を、折り返しパワー則にフィットさせ、スペクトルパラメータを抽出。
• 統計的平衡状態の下で、同様のスペクトル差を観測する確率を推定するためにモンテカルロシミュレーションを用いた。
• 陽子を主成分と仮定し、2MRS銀河密度プロファイルと0.1 nGのランダム磁場を仮定したCRPropaベースのシミュレーションと結果を比較。
• 宇宙マイクロ波背景放射との光核反応によるエネルギー損失の簡略モデルを適用し、スペクトルの変調を予測。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 近くの物質集積（オンソース）領域とそれ以外の領域（オフソース）におけるエネルギースペクトル形状に、統計的に有意な差があるか？
• RQ2 観測されたスペクトル差は、統計的ゆらぎによって説明できるのか、それともUHECR源の物理的異方性を示唆するのか？
• RQ3 UHECRが2MRSカタログで追跡される銀河から起因するというモデルの予測と、観測されたスペクトル特徴がどの程度一致するか？
• RQ4 CMBとの相互作用によるエネルギー損失が、距離が異なる源に対してどのようにスペクトルを変調するか？
• RQ5 スペクトル形状の異方性は、角度クラスタリングとは別に、UHECR源の特定に補完的手段として利用できるか？

主な発見

• オフソース領域では、オンソース領域よりも高エネルギー域でより早くスペクトルの折り返しが起こっており、フラックスの抑制が速いことが示唆される。
• 統計的に同等の分布において、このようなスペクトル差を偶然に観測する確率は6.2 × 10⁻⁴（3.2σの有意水準）と推定された。
• 観測されたスペクトル差は、陽子を主成分と仮定し、磁場による偏光が無視できるほど小さいと仮定したシミュレーションと定性的に整合的である。
• 2MRS銀河密度プロファイルとCRPropa 2.2.0.4に基づくシミュレーションは、距離に応じたスペクトル変調の定性的な傾向を再現している。
• この結果は、角度クラスタリングの閾値に依存しない3.2σのUHECRエネルギースペクトルの異方性の兆候を示している。
• 本手法は、天の川にわたるスペクトル形状の変化を分析することにより、UHECR源や成分を探索する新しいアプローチを提供する。