[논문 리뷰] Differences Between the Pierre Auger Observatory and Telescope Array Spectra: Systematic Effects or Indication of a Local Source of Ultra-High-Energy Cosmic Rays?

Pavlo Plotko, A. van Vliet외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 페르디앙 오벨러버토리(_PAO_)와 테레스코프 어레이(TA)에서 측정한 초고에너지 우주선(UHECR) 에너지 스펙트럼 간의 격차를 조사하며, 이 격차는 체계적 요인보다는 북반구 내의 국지적 천체물리학적 원천에 의해 설명될 수 있음을 제안한다. 강성에 따라 변하는 최대 에너지 모델을 사용한 공동 피팅을 통해, 26 Mpc 이내의 실리콘 주도 원천이 데이터를 가장 잘 설명하는 것으로 나타났으며, 이는 딱딱한 스펙트럼과 높은 빛의 강도를 지닌다. 이는 에너지 의존성 체계적 오차보다 더 설득력 있는 천체물리학적 대안을 제공한다.

ABSTRACT

The Pierre Auger Observatory (PAO) and Telescope Array (TA) collaborations report significant differences in the observed energy spectra of ultra-high-energy cosmic rays (UHECRs) above 30~EeV. In this work we present a joint fit of TA and PAO data using the rigidity-dependent maximum energy model, including a full marginalization over all relevant parameters. We test two possible scenarios to explain these differences. One is that they are due to complex energy-dependent experimental systematics; the other is the presence of a local astrophysical source in the Northern Hemisphere, which is only visible by the TA experiment. We show that the astrophysical and systematic scenarios improve the explanation of the data equally well, compared to the scenario where both experiments observe the same UHECR flux from a cosmological source distribution and have energy-independent systematics. We test different mass compositions emitted from the local source and conclude that the data are best described by a source lying at a distance below 26~Mpc that emits cosmic rays dominated by the silicon mass group. We also discuss possible source candidates, and the possible role of the putative local UHECR source in the observed TA anisotropy and in the differences in TA spectral data from different declination bands.

연구 동기 및 목표

• 페르디앙 오벨러버토리(PAO)와 테레스코프 어레이(TA) 사이의 장기적인 UHECR 에너지 스펙트럼 격차를 해결하기 위해, 특히 30 EeV 이상에서의 격차를 다룬다.
• 관측된 격차가 복잡한 에너지 의존성 실험 체계적 오차에서 기인하는지, 아니면 북반구 내의 국지적 천체물리학적 원천에서 기인하는지 테스트한다.
• 관측 데이터를 설명할 수 있는 잠재적 국지 UHECR 원천의 가장 가능성이 높은 조성, 거리, 스펙트럼 특성 등을 규명한다.
• 국지 원천 모델이 TA 데이터에서 관측된 비균형성과 스펙트럼 특성, 특히 다양한 천체위도 대역에서 어떻게 일치하는지 평가한다.
• 국지 원천 가설이 에너지 독립적 체계적 오차를 가진 표준 천체론적 원천 모델보다 더 나은 피팅을 제공하는지 평가한다.

제안 방법

• 모든 관련 매개변수에 대해 완전히 최적화된 강성에 따라 변하는 최대 에너지 모델을 사용하여 PAO와 TA UHECR 데이터를 공동 피팅한다.
• 두 가지 시나리오를 비교한다: (1) 에너지 의존성 체계적 오차, (2) 북반구 내의 국지 천체물리학적 원천이며, 후자는 다양한 질량 그룹(H, He, N, Si, Fe)에서 테스트된다.
• 체계적 오차를 테스트하기 위해 Tsunesada 등(2021)에서 정의한 에너지 의존성 이동량을 적용하며, 同시에 다양한 최대 에너지와 스펙트럼 기울기를 가진 국지 원천을 모델링한다.
• 공기 샤워 시뮬레이션 모델(Sibyll 2.3c, QGSJET-II-04, Epos-LHC)을 사용하여 복사율 예측을 계산하고 관측 결과와 비교한다.
• 통계적 유의수준(5.0σ 대 null 가설)을 사용하여 모델 성능을 평가하고, 예측된 비균형성 수준을 관측된 잔여 강도(RI) 값과 비교한다.
• 공통 천체위도 대역을 제외한 별도의 피팅을 통해 국지 원천 모델의 강건성을 테스트한다. 이는 북반구(TA)와 남반구(PAO) 데이터만을 사용하여 수행된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 30 EeV 이상에서 PAO와 TA 간의 관측된 스펙트럼 격차가 에너지 의존성 실험 체계적 오차로만 설명될 수 있는가?
• RQ2 북반구 내의 국지 천체물리학적 원천을 포함할 경우, 체계적 오차보다 스펙트럼 격차를 더 잘 설명하는가?
• RQ3 PAO와 TA 데이터를 종합적으로 고려할 때, 가장 최적의 질량 조성, 거리, 스펙트럼 기울기를 가진 국지 UHECR 원천은 무엇인가?
• RQ4 잔여 강도 예측 측면에서 국지 원천 모델은 TA 관측 비균형성 특징(예: 타원형 강도 과잉 및 핫스팟)과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 공기 샤워 시뮬레이션 모델의 선택과 다양한 천체위도 대역 데이터의 포함 여부에 따라 결과는 어떻게 달라지는가?

주요 결과

• 국지 원천 시나리오는 표준 체계적 오차를 가진 천체론적 원천 모델에 비해 5.0σ 유의수준으로 훨씬 뛰어난 성능을 보이며, 체계적 오차 전용 설명의 4.8σ 유의수준과 유사하다.
• 최적 피팅 결과로 도출된 국지 원천은 실리콘-28 질량 그룹이 주를 이루며, 최대 에너지 20 EeV, 딱딱한 스펙트럼(γlocal < -1.0)을 가지며, 14 Mpc 이내에 위치해 있다.
• 이 모델은 30 EeV 이상에서 유의미한 복사율 기여를 예측하며, 최근 보고된 TA의 25–40 EeV 범위 내 과잉 복사율과 일치한다.
• 철 주도 원천의 경우, 에너지 의존성 이동량 시나리오에서 최적 피팅 거리는 190 Mpc이며, 페르세우스-피스케스 초은하단과 일치한다.
• 국지 원천 모델은 관측된 TA 비균형성 데이터와 특히 신규 과잉 및 핫스팟 영역에서 잔여 강도 예측과 일치한다.
• 공통 천체위도 대역을 제외한 결과에서도 모델은 강건성을 유지하며, 북반구 데이터만으로도 국지 원천 가설이 지지됨을 시사한다.