[論文レビュー] Study of the Cosmic Ray Composition above 0.4 EeV using the Longitudinal Profiles of Showers observed at the Pierre Auger Observatory

M. Unger|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2007

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 47

ひとこと要約

本研究では、ピエール・オーガー観測所（2004–2007年）のハイブリッドエアシャワーデータを用い、0.4 EeVを超えるイベントにおけるシャワー最大深さ（$X_{\mathrm{max}}$）を測定することで、宇宙線の組成に対する直接的な制約を得た。10^18.35 eV付近で、その伸び率に顕著な変化が見られ、それより低いエネルギーでは71 ± 5 g cm⁻²/十年、それより高いエネルギーでは40 ± 4 g cm⁻²/十年であった。これは、軽い一次核から重い一次核への遷移を示しており、モデル依存の解釈があるものの、全エネルギー範囲で混合組成が好まれる傾向が示された。

ABSTRACT

The Pierre Auger Observatory has been collecting data in a stable manner since January 2004. We present here a study of the cosmic ray composition using events recorded in hybrid mode during the first years of data taking. These are air showers observed by the fluorescence detector as well as the surface detector, so the depth of shower maximum, Xmax, is measured directly. The cosmic ray composition is studied in different energy ranges by comparing the observed average Xmax with predictions from air shower simulations for different nuclei. The change of with energy (elongation rate) is used to derive estimates of the change in primary composition.

研究の動機と目的

• 0.4 EeVを超える超高エネルギー宇宙線の組成を、$X_{\mathrm{max}}$ の直接測定を用いて同定すること。
• シャワー最大深さのエネルギー依存性を評価し、一次粒子の質量の変化を推測すること。
• フィducialボリュームカットと品質選別を用いて、$X_{\mathrm{max}}$ 再構築における系統的不確実性を低減すること。
• 観測された$X_{\mathrm{max}}$ の傾向を、ハドロン相互作用モデル（QGSJETII や EPOS など）の予測と比較し、一次組成を制約すること。

提案手法

• ハイブリッドイベントはピエール・オーガー観測所から選別され、蛍光検出器および表面検出器の両方で検出されたものを対象とする。
• 品質カットにより$X_{\mathrm{max}}$ 解像度が20 g cm⁻²以内に保たれ、$χ^2$ の閾値とエネルギー不確実性の制限が含まれる。
• 視野境界に基づくフィducialボリュームカットを適用し、$X_{\mathrm{max}}$ 選別に偏りが生じないようし、偏りのない$X_{\mathrm{max}}$ 分布を確保する。
• 平均$X_{\mathrm{max}}$ はエネルギー関数として測定され、関係式 $\langle X_{\mathrm{max}}\rangle = D_{\mathrm{p}}[\ln(E/E_0) - \langle\ln A\rangle] + c_{\mathrm{p}}$ を用いてシミュレーションと比較される。
• 系統的不確実性は、大気プロファイル、光収率、幾何的効果を含む、完全な検出器および大気シミュレーションを用いて評価される。
• $\langle X_{\mathrm{max}}\rangle$ とエネルギーの関係に二段階線形フィットを適用し、伸び率の変化点（ブレークポイント）を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 0.4 EeVを超える宇宙線について、シャワー最大深さ（$X_{\mathrm{max}}$）のエネルギー依存的進化はいかなるものか？
• RQ2 $X_{\mathrm{max}}$ の伸び率はエネルギーに応じてどのように変化するか？ これは組成の遷移を示唆するか？
• RQ3 大気条件、検出器の幾何学的形状、光収率に起因する系統的不確実性は、$X_{\mathrm{max}}$ 測定にどの程度影響を及ぼすか？
• RQ4 観測された$X_{\mathrm{max}}$ 値は、QGSJETII や EPOS といったハドロン相互作用モデルの予測とどの程度一致するか？

主な発見

• 品質およびフィducialカットを施した後、組成分析に使用可能なハイブリッドイベントは4,329件に減少したが、初期のデータ取得フェーズにもかかわらず高い統計的精度を達成した。
• データは全エネルギー範囲で混合宇宙線組成を支持しており、純粋なプロトンまたは鉄成分の証拠は認められなかった。
• 平均$\langle X_{\mathrm{max}}\rangle$ とエネルギーの関係に二段階線形フィットを適用した結果、ブレークポイントは$E_{\mathrm{b}} = 10^{18.35}$ eV に位置し、それより低いエネルギーと高いエネルギーで異なる伸び率が得られた。
• 伸び率は、10^18.35 eV未満で$71 \pm 5$ g cm⁻²/十年、10^18.35 eVを超える領域で$40 \pm 4$ g cm⁻²/十年と測定され、一次組成の遷移を示している。
• 系統的不確実性は低エネルギー域で$\leq$ 15 g cm⁻²、10^18 eVを超える領域で$\leq$ 11 g cm⁻²であり、さらにFDエネルギースケールに22%の不確実性が加わる。
• 結果は系統的誤差の範囲内で過去の実験と整合しており、統計的精度は以前の研究を上回った。