[論文レビュー] Variations of the cosmic ray composition at energy above 0.1 EeV as observed by muon detectors of Yakutsk array

A.V. Glushkov, A. Sabourov|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、1987年から2013年までのヤクーツク配列（Yakutsk array）の広い空気シャワー（EAS）におけるミューオンの横方向分布を分析し、0.1 EeVを超える宇宙線（CR）の組成を推定する。1.0×secθ GeVのエネルギー閾値を持つミューオン検出器を用い、1996年以降にCRの組成が軽い核から重い核へと変化したことが判明した。QGSJETII-04モデルが観測データと最も一致しており、1–20×10¹⁷ eVのエネルギー領域で軽い核への移行が示唆され、銀河系外への移行の可能性も示唆される。

ABSTRACT

The lateral distribution of muons with ~1.0x\\sec(\ heta) GeV in extensive air showers within ~10^{17}-10^{19} eV energy region obtained during different observational periods from November 1987 to June 2013 has been analyzed. Experimental data have been compared to predictions of various hadron interaction models. The best agreement is observed with QGSJETII-04. Until 1996, the mass composition of cosmic rays with energy below 2x10^{18} eV was significantly lighter than in later periods.

研究の動機と目的

• ヤクーツク配列のミューオンデータを用いて、0.1 EeVを超える超高エネルギー宇宙線（UHECR）のエネルギー依存性のある質量組成を特定すること。
• 特に1996年以降に観測された重い核への移行を示す、CR組成の時間的変化を調査すること。
• ハドロン相互作用モデル（QGSJET01D、QGSJETII-04）が観測されたミューオンの横方向分布をどれほど正確に再現できるかを評価すること。
• 変化するCR組成が、UHECRの起源および伝搬に関する意味を評価すること。特に、銀河系内爆発や銀河外源への移行の可能性を含む。

提案手法

• ヤクーツクEAS配列の地下ミューオン検出器を用い、エネルギー閾値が約1.0×secθ GeVのミューオンの横方向分布を測定した。
• 600 mでの電荷粒子密度（ρs,600）とモリエ半径（RM）を用い、大気補正を加えた校正関係式（1）〜（3）を用いて一次エネルギーを推定した。
• 温度および圧力に依存するモリエ半径（5）を用いた修正Linsley近似（4）を用い、電荷粒子の横方向分布関数（LDF）をモデル化した。
• QGSJET01DおよびQGSJETII-04モデルからのシミュレーションと実験的ミューオン密度（ρμ,300）を比較し、重み関数（10）〜（11）を用いて平均原子番号⟨lnA⟩を推定した。
• 既存のヤクーツク研究（JETPl2012）で確立された手順に従い、検出器応答および制御システムのキャリブレーションを実施した。
• 時間的変化を追跡するため、3つの観測期間に分けて解析した：1987–1996年（1996年以前）、1996–2000年（遷移期）、2011–2013年（現在の状態）。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1987年から2013年までの間に、ヤクーツクでのミューオン検出により、0.1 EeVを超える宇宙線の質量組成はどのように変化したか？
• RQ2 QGSJET01DとQGSJETII-04のどちらのハドロン相互作用モデルが、広い空気シャワーにおける観測されたミューオンの横方向分布を最もよく再現するか？
• RQ3 1996年以降に軽い核から重い核への移行が観測されたという、時間的変化の証拠は何か？
• RQ4 異なる観測期間における一次エネルギーに応じて、推定された平均原子番号⟨lnA⟩はどのように変化するか？
• RQ5 観測された組成の変化は、超高エネルギー宇宙線の起源および伝搬に関する何を示唆するか？

主な発見

• QGSJETII-04モデルは、10¹⁷–10¹⁹ eVのエネルギー範囲で、実験的ミューオンの横方向分布と最も良好な一致を示した。
• 1987年から1996年までは、平均原子番号⟨lnA⟩は軽く、10¹⁷ eVで⟨lnA⟩ = 1.0 ± 0.4であった。
• 1996年以降、組成は顕著に重くなり、2009–2013年の間、10¹⁷ eVで⟨lnA⟩ = 3.0 ± 0.4となった。
• 2009年から2013年の間、⟨lnA⟩は10¹⁷ eVで3.0 ± 0.4から2×10¹⁸ eVで0.4 ± 0.4に低下し、エネルギーが高くなるにつれて軽い核への移行が示唆された。
• 2×10¹⁸ eV以上のエネルギー領域では、組成に顕著な変化はなく、やや重い核への傾向が見られたが、これはグローバルデータセットと整合的であった。
• 観測された時間的変化は、過去に銀河系内の出来事によって重い核が放出され、高エネルギー領域で軽い核、おそらく銀河外源由来の成分に移行したという仮説を支持するものである。