[논문 리뷰] Cosmic ray spectrum in the energy range 1.0E15-1.0E18 eV and the second knee according to the small Cherenkov setup at the Yakutsk EAS array

С. П. Кнуренко, З. Е. Петров외 4명|arXiv (Cornell University)|2013. 10. 08.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 야쿠투스크 EAS 어레이에서 확보한 15년 이상의 츄레노프 빛 데이터를 활용하여 10^15–10^18 eV 범위의 고정밀 우주선 에너지 스펙트럼을 제시한다. 이는 약 10^17 eV에서 두 번째 무릎이 존재함을 확인하며, 스펙트럼 기울기 변화 Δγ₂₃ = 0.32 ± 0.03 ± 0.05를 보이며, 은하계 내 우주선에서 갈릴렉시계 외 우주선으로의 전이를 시사한다. 이는 10^18 eV에서 ⟨ln A⟩ ~ 3에서 ~1.5로 급격히 변화하는 질량 조성의 이동에 의해 뒷받침된다.

ABSTRACT

From the data on Cherenkov light from EASs collected over the period of more than 15 years, the spectrum of cosmic rays was obtained in the energy range 1.0E15-1.0E18 eV. This spectrum has two features: at ~3.0E15 eV (first knee) and at ~1.0E17 eV (second knee). The first knee is characterized by the indexes γ_1=2.7+/-0.03 and γ_2 = 3.12+/-0.03 and the second knee - by γ_1 = 2.92+/-0.03 and γ_2=3.24+/-0.04. In the second case the difference amounts to Δγ_23=0.32{\pm}0.03{\pm}0.05 which is less than the case of the first knee Δγ_12=0.42+/-0.03+/-0.05 (here dual errors represent statistics and systematics correspondingly). The lesser difference Δγ_23 can be explained with the influx of cosmic rays from Meta-galaxy and, hence, with some increase of the cosmic rays intensity in the energy range 5.0E16-1.0E18 eV, which compensates the escape of heavier nuclei from the Galaxy. The presence of the second knee could be confirmed by abrupt change in mass composition from from lnA~3 at ~1.0E17 eV to lnA~1.5 at 1.0E18eV found from the analysis of longitudinal development of EAS.

연구 동기 및 목표

• 장기적인 야쿠투스크 EAS 어레이의 츄레노프 빛 데이터를 활용하여 10^15–10^18 eV 범위의 우주선 에너지 스펙트럼을 정밀하게 측정하는 것.
• 특히 약 10^17 eV 부근에서 두 번째 무릎의 존재 및 특성을 조사하는 것.
• 특히 약 10^17 eV 부근에서 무거운 원소에서 가벼운 원소로의 전이가 관찰되는 우주선 질량 조성의 에너지 의존성 변화를 분석하는 것.
• 두 번째 무릎이 은하계 내의 에너지 제한 효과에서 기인하는지, 또는 갈릴렉시계 외 우주선의 유입으로 인한 것인지 판단하는 것.

제안 방법

• 츄레노프 빛 유량 Q(150)와 Q(400)을 쇼워 중심에서 150 m 및 400 m 거리에서 작은 츄레노프 장치를 사용하여 측정하였다.
• 확장된 대기 샤워(EAS) 매개변수인 300 m에서의 도전 입자 밀도 ρₛ(300)와 600 m에서의 밀도 ρₛ(600)를 츄레노프 빛과 함께 사용하여 샤워를 분류하고 선별하였다.
• 트리거 효율 전이 보정 및 샤워 발달 및 대기 효과의 변동성을 고려하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하였다.
• 검출기 기하학, 에너지 재구성, 샤워 발달의 변동성을 고려하여 유효 면적 S_eff를 계산하였다.
• 주입 입자 에너지의 대리 변수로 Q(150) 매개변수를 사용하여 샤워 에너지를 균형 조정함으로써 에너지 스펙트럼을 재구성하였다.
• 츄레노프 빛과 뮤온 측정을 이용한 EAS의 종방향 발달을 기반으로 질량 조성을 추정하였으며, 결과는 하드론 상호작용 모델(QGSJETII-03 및 SIBYLL-2.1) 간에 비교되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 10^15–10^18 eV 범위의 우주선 스펙트럼은 두 번째 무릎을 보이며, 만약 그렇다면 그 위치는 어디인가?
• RQ2 두 번째 무릎과 관련된 스펙트럼 기울기 변화(Δγ)는 무엇이며, 첫 번째 무릎과 비교해 볼 때 어떻게 다른가?
• RQ3 두 번째 무릎 부근에서 우주선 질량 조성은 어떻게 변화하며, 이는 고에너지 우주선 기원에 대해 어떤 시사점을 갖는가?
• RQ4 관측된 스펙트럼과 질량 조성은 은하계에서 갈릴렉시계 외로의 전이에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ5 두 번째 무릎은 갈릴렉시계 외 우주선의 유입 또는 은하계 내 에너지 제한 효과를 포함하는 모델과 일치하는가?

주요 결과

• 우주선 스펙트럼은 약 10^17 eV에서 두 번째 무릎을 보이며, 스펙트럼 기울기 변화 Δγ₂₃ = 0.32 ± 0.03 ± 0.05로 확인되었다.
• 두 번째 무릎 이하의 스펙트럼 기울기는 γ₁ = 2.92 ± 0.03이며, 이하의 기울기는 γ₂ = 3.24 ± 0.04로, 더 높은 에너지에서 더 부드러운 스펙트럼을 나타낸다.
• 두 번째 무릎은 첫 번째 무릎만큼 뚜렷하지 않으며, Δγ₂₃ = 0.32로 첫 번째 무릎의 Δγ₁₂ = 0.42보다 작은 기울기 변화를 보이며, 더 부드러운 전이를 시사한다.
• 질량 조성은 약 10^17 eV에서 ⟨ln A⟩ ~ 3에서 약 10^18 eV에서 ⟨ln A⟩ ~ 1.5로 급격히 변화하며, 이는 두 번째 무릎의 존재를 뒷받침한다.
• 관측된 스펙트럼과 질량 조성은 은하계 내 우주선에서 갈릴렉시계 외 우주선으로의 전이와 일치하며, 은하계에서 탈출하는 무거운 핵종을 상쇄하는 갈릴렉시계 외 기여가 있음을 시사한다.
• 모델에 따르면 메타은하계 우주선을 포함하는 경우, 은하계와 갈릴렉시계 외 우주선의 전이 경계는 3×10^17–5×10^18 eV 에너지 범위에 존재하며, 이는 데이터와 일치한다.