[논문 리뷰] Cascades initiated by EHE photons in the magnetic field of the Earth and the Sun

W. Bednarek|arXiv (Cornell University)|1999. 11. 15.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 지구와 태양의 자기장에서 초고에너지(EHE) 광자가 어떻게 연쇄적으로 붕괴되는지 조사한다. EHE 광자는 자기극 방향에서 오는 경우 더 쉽게 연쇄 붕괴를 일으키며, 태양의 자기권에서 오는 광자는 매우 드물지만 매우 이례적인 붕괴를 일으킬 수 있다. 이러한 붕괴는 약 매 10년에 한 번 정도로 추정되며, 이질적인 횡방향 입자 분포로 인해 특징적으로 식별 가능하다.

ABSTRACT

The content of extremely high energy (EHE) photons in the highest energy cosmic rays can be investigated by analyzing showers arriving from directions where the perpendicular component of the Earth's magnetic field is high or showers arriving from the region surrounding the Sun. We perform Monte Carlo simulations of cascades initiated by photons with parameters of the highest energy showers observed by the past and present detectors (AGASA, Fly's Eye, Yakutsk, Haverah Park). The purpose is to find out which events should cascade with high probability if initiated by photons. It is shown that EHE photons arriving from directions towards the magnetic poles cascade with higher probability. Alternatively, the lowest probabilities of cascading are expected for photons arriving from directions of the equator at the zenith angles equal to the angle between location of the specific observatory and the magnetic pole. We show that very unusual showers should arrive from direction of the Sun due to cascading of photons in the Sun's magnetosphere if EHE photons are numerous at the highest energies. The rate of such showers is estimated on about one per ten years. However extraordinary lateral distribution of secondary particles of such showers in the Earth's atmosphere may help to distinguish them from the ordinary showers arriving isotropically from the sky.

연구 동기 및 목표

• 지구와 태양의 자기장에서 EHE 광자가 붕괴를 일으킬 가능성을 평가하기 위해.
• 자기장 기하학에 따라 붕괴 확률의 방향적 패턴을 규명하기 위해.
• 기존 및 과거의 고에너지 우주선 탐지기(AGASA, Fly's Eye, Yakutsk, Haverah Park)에서 이러한 붕괴의 탐지 가능성 평가하기 위해.
• 이상한 붕괴 특성들이 표준 우주선 붕괴와는 다를 수 있는 광자 유도 사건을 식별할 수 있는지 평가하기 위해.
• 최고 에너지에서 EHE 광자가 풍부할 경우, 태양 기원 붕괴의 기대 빈도를 추정하기 위해.

제안 방법

• 지구와 태양의 자기장에서 EHE 광자 붕괴를 위한 몬테카를로 시뮬레이션 수행하기 위해.
• 과거 및 현재 탐지기(AGASA, Fly's Eye, Yakutsk, Haverah Park)의 관측 파rameter를 시뮬레이션 입력으로 사용하기 위해.
• EHE 광자가 자기장과 상호작용하여 전자-양전자 쌍 생성 및 이후 연쇄 붕괴 발달을 시뮬레이션하기 위해.
• 도착 방향(특히 자기극과 적도 평면에 대해)에 따라 붕괴 확률을 계산하기 위해.
• 2차 입자들의 횡방향 분포를 분석하여 자기장에 의해 유도된 붕괴의 고유한 서명을 식별하기 위해.
• 붕괴 확률과 복사수 가정에 기반하여 태양에서 기인한 이러한 드문 붕괴의 기대 빈도를 추정하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 EHE 광자가 도착 방향에 따라 지구 자기장에서 붕괴할 확률은 어떻게 달라지나?
• RQ2 태양의 자기권은 EHE 광자의 붕괴에 어떤 영향을 미치며, 어떤 붕괴 특성이 나타나는가?
• RQ3 태양에서 기인한 탐지 가능한 이례적인 붕괴의 기대 빈도는 얼마인가?
• RQ4 이러한 붕괴에서 2차 입자들의 횡방향 분포는 등방성 우주선 붕괴와 어떻게 다를 수 있는가?
• RQ5 자기장 기하학에 따라 EHE 광자 붕괴의 가능성을 극대화하는 하늘의 방향은 어디인가?

주요 결과

• 자기극 근처에서 도착하는 EHE 광자는 강한 수직 자기장 성분으로 인해 붕괴 확률이 가장 높다.
• 관측자의 자기위도와 동일한 심도 각도에서 적도 방향으로 도착하는 광자는 붕괴 확률이 가장 낮다.
• 만약 최고 에너지에서 EHE 광자가 풍부하다면, 태양의 자기권은 매우 이례적인 횡방향 입자 분포를 가진 붕괴를 일으킬 수 있다.
• 이러한 이례적인 붕괴의 기대 빈도는 약 매 10년에 한 번 정도로 추정된다.
• 이러한 붕괴에서의 2차 입자들의 고유한 횡방향 분포는 드물지만 식별 가능하게 해줄 수 있다.
• 시뮬레이션은 자기장 기하학이 하늘 전역에서 EHE 광자의 붕괴 확률에 크게 영향을 준다는 것을 확인한다.