[論文レビュー] Search for Ultra-High Energy Photons with the Pierre Auger Observatory

P. Homola|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、ピエール・オーリェル観測所のデータを用いて、空気シャワーの遅延発達およびヘリウム含有量の低減といった特徴を用いて、超高エネルギー（UHE）光子の探索を要約している。検出されなかったが、本研究は、これまでで最も厳しいUHE光子フラックスの上限を設定し、特異な「トップダウン」モデルと宇宙創出光子予測の両方を制約した。

ABSTRACT

One of key scientific objectives of the Pierre Auger Observatory is the search for ultra-high energy photons. Such photons could originate either in the interactions of energetic cosmic-ray nuclei with the cosmic microwave background (so-called cosmogenic photons) or in the exotic scenarios, e.g. those assuming a production and decay of some hypothetical super-massive particles. The latter category of models would imply relatively large fluxes of photons with ultra-high energies at Earth, while the former, involving interactions of cosmic-ray nuclei with the microwave background - just the contrary: very small fractions. The investigations on the data collected so far in the Pierre Auger Observatory led to placing very stringent limits to ultra-high energy photon fluxes: below the predictions of the most of the exotic models and nearing the predicted fluxes of the cosmogenic photons. In this paper the status of these investigations and perspectives for further studies are summarized.

研究の動機と目的

• ピエール・オーリェル観測所の広範な空気シャワー（EAS）データを用いて、宇宙線中の超高エネルギー（UHE）光子の探索を行う。
• UHECR起源の「ボトムアップ」と「トップダウン」モデルを区別するために、UHECRにおける光子分率を制約する。
• 光子フラックスの上限を通じて、ローレンツ不変性破れ（LIV）やQED非線形性といった基本的物理仮説をテストする。
• 高度なデータ解析技術を用いた方向性、拡散および標的探索を通じて、UHE光子への感度を向上させる。
• チェレンコフ望遠鏡アレイ（CTA）を含む代替手法を通じた今後の検出可能性を検討し、光子の連鎖的相互作用を探索する。

提案手法

• LPM効果に起因する遅延発達と低減したミューオン含有量に注目し、光子誘発シャワーをモデル化するための広範な空気シャワー（EAS）シミュレーションを用いる。
• エネルギーおよび方向依存の選別基準を適用し、オーリェルデータセットから候補UHE光子シャワーを同定する。
• 方向性および角度相関技術を用いて、広範なエネルギー範囲（10^17.3 から 10^18.5 eV）および赤緯帯（−85° から +20°）における拡散光子フラックス探索を実施する。
• 165個の候補銀河的および銀河外源をグループ化し、背景モデル化と統計的検定を適用して、標的探索を実施する。
• 尤度に基づく手法を用いて、エネルギー依存の感度を持つ、点源光子フラックスの上限の天球マップを導出する。
• チェレンコフ望遠鏡を用いたイベントごとの光子プリシャワー同定、および大気中での連鎖的光子相互作用といった代替検出戦略を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在のオーリェルデータに基づき、超高エネルギー光子（E > 10^17.3 eV）の拡散フラックスに対する最も厳しい上限は何か？
• RQ2 方向性または点源探索は、既知の天体的対象からの局所的UHE光子放射を明らかにできるか？
• RQ3 観測されたUHE光子フラックスの上限は、超大質量粒子崩壊や宇宙創出光子生成を含む「トップダウン」モデルをどの程度制約するか？
• RQ4 空気シャワーにおけるLPM効果およびミューオン含有量は、核子によって誘発されたシャワーと光子によって誘発されたシャワーをどの程度明確に区別できるか？
• RQ5 チェレンコフ望遠鏡アレイ（CTA）のような今後の検出手法は、プリシャワーまたは連鎖的シグネチャを通じてUHE光子を同定する可能性をどの程度持つか？

主な発見

• ピエール・オーリェル観測所は、超高エネルギー光子の拡散フラックスに対して、これまでで最も厳しい上限を設定した。そのレベルは、宇宙創出光子の予測フラックスに近い。
• 拡散フラックス探索において、光子候補の顕著な過剰は観測されず、10^17.3 eV から 10^18.5 eV のエネルギー範囲における上限が導出された。
• 165個の候補源を対象とした標的探索では、UHE光子放射の証拠は観測されず、粒子およびエネルギーフラックスの上限が確立された。これは、銀河中心のような源からのEeVプロトン放射モデルを顕著に制約した。
• 点源の上限の天球マップ（図4）は、エネルギー依存の感度を示しており、緑線がオーリェルの上限を、帯域がH.E.S.S.測定の不確実性を反映している。
• 銀河中心領域では、オーリェルの上限（緑線）は、H.E.S.S.のスペクトルモデルを外挿する場合、E_cut = 2.0 × 10^6 TeV でのスペクトル指数カットを導入しない限り、排除する。
• 本研究は、UHE光子の非観測が、標準的な「ボトムアップ」モデルと特異な「トップダウン」シナリオの両方と整合的であることを確認したが、高フラックスを予測するモデルは強く否定した。