[論文レビュー] Sky-maps of the sidereal anisotropy of galactic cosmic ray intensity and its energy dependence

K. Munakata, Naoki Matsumoto+7 more|ArXiv.org|Nov 4, 2008

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、日本とオーストラリアの地下ミューオン検出器からなる2つの半球ネットワーク（THN）のデータ（それぞれ1985–2006年および1993–2005年）を用いて、銀河宇宙線強度の恒星時非一様性の天球図を提示する。この非一様性のパターンは、主宇宙線エネルギーが10倍異なる（0.5 TeV 対 5 TeV）にもかかわらず、チベットIII実験のデータと一致しており、太陽の調制作用によって非一様性の振幅が低下していることが示され、1TeV未満から数TeVにわたるエネルギー範囲にわたり、剛性依存性が滑らかに継続していることが明らかになった。

ABSTRACT

We analyze the sidereal daily variations observed between 1985 and 2006 at Matsushiro, Japan (MAT) and between 1993 and 2005 at Liapootah, Tasmania (LPT). These stations comprise the two hemisphere network (THN) of underground muon detectors in Japan and Australia. Yearly mean harmonic vectors at MAT and LPT are more or less stable without any significant change in phase and amplitude in correlation with either the solar activity- or magnetic-cycles. In this paper, therefore, we analyze the average anisotropy over the entire observation periods, i.e. 1985-2006 for MAT and 1993-2005 for LPT. We apply to the THN data a best-fitting analysis based on a model anisotropy in space identical to that adopted by Amenomori et al. (2007) for Tibet III data. The median energies of primary cosmic rays recorded are ~0.5 TeV for THN and ~5 TeV for the Tibet III experiment. It is shown that the intensity distribution of the best-fit anisotropy is quite similar to that derived from Tibet III data, regardless of the order of magnitude difference in energies of primary particles. This, together with the THN observations, confirms that the analysis by Amenomori et al. (2007) based on the Tibet III experiment in the northern hemisphere is not seriously biased. The best-fit amplitudes of the anisotropy, on the other hand, are only one third or less of those reported by the Tibet III experiment, indicating attenuation due to solar modulation. The rigidity dependence of the anisotropy amplitude in the sub-TeV region is consistent with the spectrum reported by Hall et al. (1999), smoothly extending to the Tibet III result in the multi-TeV region. The amplitude at higher energies appears almost constant or gradually decreasing with increasing rigidity.

研究の動機と目的

• 日本の地下ミューオン検出器とオーストラリアの地下ミューオン検出器のデータを用いて、長期間にわたる恒星時非一様性の分析を行う。
• 太陽周期および磁気周期にわたる非一様性の位相と振幅の安定性を評価する。
• 異なるエネルギー領域において、2つの半球ネットワーク（THN）とチベットIII実験の間で非一様性パターンと振幅を比較する。
• 非一様性の振幅のエネルギー（剛性）依存性を調査し、これまでの測定結果と整合しているかを検証する。

提案手法

• 松生（MAT）およびリアプートゥー（LPT）の観測所における、年平均の日周変動のハーモニック解析。
• アメノモリら（2007年）がチベットIIIデータに使用したモデル非一様性を、THN観測に同様に適用する。
• 天の上にダイポール型の強度分布を仮定する空間モデルを用いた、非一様性の最良適合解析。
• THN（中央エネルギー ~0.5 TeV）とチベットIII（~5 TeV）の非一様性振幅と方向を比較し、エネルギー依存性を評価する。
• 1TeV未満の範囲でハルら（1999年）の結果と比較し、多TeVエネルギー領域への延長を図ることで、剛性依存性を評価する。
• THNのエネルギー閾値が低いことから、絶対振幅の比較により太陽の調制効果を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なるエネルギー範囲において、北半球と南半球の銀河宇宙線の恒星時非一様性パターンは整合的か？
• RQ2 非一様性の振幅は宇宙線の剛性にどのように依存し、1TeV未満から数TeVにわたるエネルギー範囲で連続的か？
• RQ3 THNとチベットIIIの比較から示唆されるように、観測された非一様性の振幅はどの程度太陽の調制作用によって低下しているか？
• RQ4 太陽周期および磁気周期にわたる非一様性の位相と振幅の長期的安定性は、ハーモニックフィッティング手法の信頼性を支持するか？
• RQ5 低エネルギーのTHNデータから得られた非一様性パターンは、チベットIIIの結果との整合性に基づいて、高エネルギー領域への信頼できる外挿が可能か？

主な発見

• THNデータからの最良適合非一様性天球図は、主宇宙線エネルギーが10倍異なる（~0.5 TeV 対 ~5 TeV）にもかかわらず、チベットIII実験から得られたものとほぼ同一の空間パターンを示している。
• THNで観測された非一様性の振幅は、チベットIIIが報告した値の3分の1以下であり、太陽の調制作用による著しい減衰を示している。
• 1TeV未満のエネルギー範囲における非一様性振幅の剛性依存性はハルら（1999年）の結果と整合しており、チベットIIIが観測した多TeV領域へ滑らかに延長されている。
• 高エネルギー領域では、非一様性の振幅が剛性の増加に伴いほぼ一定または徐々に減少しており、多TeV領域では弱いか平坦な剛性依存性が示唆されている。
• 観測期間（1985–2006年および1993–2005年）にわたる非一様性の位相と振幅の安定性は、太陽活動や磁気周期に起因する長期的変動が結果に顕著にバイアスをかけることはないことを確認している。
• エネルギー閾値が著しく異なるにもかかわらず、THNとチベットIIIの結果の整合性は、非一様性解析の堅牢性を裏付け、チベットIIIの結果に重大な系統的バイアスがないことを排除している。