[論文レビュー] The bending of the proton plus helium flux in primary cosmic rays measured by the ARGO-YBJ experiment in the energy range from 20 TeV to 5 PeV

P. Montini, S. M. Mari|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2016

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、中国チベットのARGO-YBJ実験から得られたデータを用いて、20 TeV から 5 PeV のエネルギー範囲における陽子およびヘリウムの宇宙線エネルギースペクトルと、全粒子の宇宙線エネルギースペクトルを提示する。シャワー核付近の側方粒子密度測定値にベイズアンフォールディング技術を適用することで、陽子＋ヘリウムスペクトルは約 1 PeV 付近で明確な曲がり（bending）を示し、以前の全粒子観測と整合的である。

ABSTRACT

The measurement of proton plus helium and all-particle energy spectra in the range $20\,$ TeV to $5 \,$PeV and $80 \,$TeV to $5 \,$PeV respectively are presented. Data taken by the ARGO-YBJ detector in the 2010 year have been analyzed. The ARGO-YBJ experiment (Tibet, P. R. China) has been taking data for more than five years by means of a full-coverage array of RPC detectors. The discrimination between showers produced by light and heavy primaries has been performed by looking at the lateral particle density close to the core region. A Bayesian unfolding technique was therefore applied to the measured quantities in order to evaluate the cosmic ray energy spectrum. The proton plus helium spectrum clearly shows a bending at about $1 \,$PeV, while the all-particle spectrum is consistent with previous observations.

研究の動機と目的

• ARGO-YBJ検出器を用いて、20 TeV から 5 PeV のエネルギー範囲における陽子＋ヘリウム一次宇宙線のエネルギースペクトルを測定すること。
• スペクトルの硬化（hardening）や曲がり（bending）が発生する可能性がある高エネルギー領域における、軽い一次宇宙線（陽子およびヘリウム核）の挙動を調査すること。
• 測定データから真の宇宙線エネルギースペクトルを抽出するために、検出器の応答を補正するためのベイズアンフォールディング技術を適用すること。
• 陽子＋ヘリウムスペクトルを全粒子スペクトルと比較し、関心のあるエネルギー範囲におけるスペクトル特徴（曲がりや硬化）を評価すること。

提案手法

• 中国チベットに位置するARGO-YBJ実験で、5年以上にわたり稼働したフルカバレッジの抵抗性板チャンバ（RPC）検出器アレイを用いた。
• シャワーコア領域近傍の側方粒子密度を分析することで、軽い一次宇宙線と重い一次宇宙線を区別した。
• 測定された側方粒子密度分布にベイズアンフォールディング技術を適用し、真の宇宙線エネルギースペクトルを再構築した。
• 2010年のデータを分析して、20 TeV から 5 PeV の範囲における陽子＋ヘリウムおよび全粒子エネルギースペクトルを導出した。
• 再構築されたスペクトルを用いて、関心のあるエネルギー範囲におけるスペクトル特徴（曲がりや硬化）を同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 20 TeV から 5 PeV のエネルギー範囲において、陽子＋ヘリウム宇宙線スペクトルは約 1 PeV 付近で曲がりの特徴を示すか？
• RQ2 同じエネルギー範囲において、陽子＋ヘリウム一次宇宙線のスペクトル形状は全粒子スペクトルとどのように異なるか？
• RQ3 ベイズアンフォールディング技術は、側方粒子密度測定値から再構築されたエネルギースペクトルの正確性をどの程度向上させるか？
• RQ4 陽子＋ヘリウムスペクトルで観測されたスペクトル曲がりは、以前の全粒子測定と整合的か？

主な発見

• 陽子＋ヘリウムエネルギースペクトルは、約 1 PeV 付近で明確な曲がりの特徴を示しており、スペクトルの軟化（softening）または源や伝播挙動の変化を示唆している。
• 全粒子エネルギースペクトルは、以前の観測と整合的であり、測定手法の信頼性を裏付けている。
• ベイズアンフォールディング技術は、測定された側方粒子密度分布から真のエネルギースペクトルを効果的に再構築した。
• シャワーコア領域近傍の側方粒子密度に基づく軽・重一次宇宙線の識別は、スペクトル解析において有効であった。
• 20 TeV から 5 PeV の範囲における測定された陽子＋ヘリウムスペクトルは、軽い宇宙線成分におけるスペクトルの硬化または曲がりに関する新たな証拠を提供している。