[논문 리뷰] Energy Spectrum and Chemical Composition of Cosmic Rays between 0.3 and 10 PeV determined from the Cherenkov-Light and Charged-Particle distributions in Air Showers

F. Arqueros, The HEGRA Collaboration|arXiv (Cornell University)|1999. 08. 18.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 HEGRA 대기 샤워 검출기 어레이에서의 총합 찰렌코프 빛 및 입자 전하 측정을 통해 0.3에서 10 PeV 사이의 간섭계 빛과 화학 조성의 에너지 스펙트럼을 제시한다. 스펙트럼에 3.98 PeV에서 '무릎' 구조를 확인하였으며, 이하의 경우 지수는 -2.72이고, 이하의 경우 -3.22이며, 최적의 연장률은 78.3 g/cm²이고 고에너지 영역에서 경량 핵의 비율은 감소함을 발견하였다.

ABSTRACT

Measurements of the lateral distribution of Cherenkov photons with the wide-angle atmospheric Cherenkov light detector array AIROBICC and of the charged particle lateral distribution with the scintillator matrix of the HEGRA air-shower detector complex in air showers are reported. With the atmospheric shower-front sampling technique these detectors measure the electromagnetic component of an extensive air shower via the lateral density distribution of the shower particles and of the Cherenkov photons. The data are compared with events generated with the CORSIKA program package with the QGSJET hadronic-event generator. Consistency checks performed with primary energy-reconstruction methods based on different shower observables indicate satisfactory agreement between these extensive air shower simulations and the experimental data. The energy spectrum features a so called ``knee'' at an energy of E_knee = 3.98 (+4.66) (-0.83) (stat) +- 0.53 (syst) PeV. Power law fits to the differential energy spectrum yield indices of -2.72 (+0.02)(-0.03) (stat) +- 0.07 (syst) below, and -3.22 (+0.47) (-0.59) (stat) +- 0.08 (syst)} above the knee. The best-fit elongation rate for the whole energy range is determined to 78.3 +- 1.0 (stat) +- 6.2 (syst) g/cm^2. At the highest energies it seems to decrease slightly.The best-fit fraction of light nuclei decreases from 37 (+28) (-21) % (combined statistical and systematic) to 8 (+32) (-8) % (combined statistical and systematic) in the energy range discussed here. A detailed study of the systematic errors reveals that a non-changing composition cannot be excluded.

연구 동기 및 목표

• 공기 샤워 데이터를 이용하여 0.3–10 PeV 범위의 우주선 에너지 스펙트럼과 화학 조성을 결정하는 것.
• 약 3–4 PeV 부근에서 우주선 스펙트럼의 '무릎' 구조의 성격을 조사하는 것.
• 다양한 샤워 관측량과 시뮬레이션 비교를 통해 조성의 에너지에 따른 변화를 평가하는 것.
• 다양한 방법을 사용하여 조성과 에너지 재구성의 체계적 오차를 평가하는 것.
• CORSIKA 시뮬레이션과 QGSJET 입자 상호작용 모델이 실험 데이터와 일관한지 테스트하는 것.

제안 방법

• AIROBICC 광각 대기 찰렌코프 검출기 어레이를 사용하여 찰렌코프 광자의 횡방향 분포를 측정하였다.
• HEGRA 섬유 광도계 어레이를 사용하여 광범위한 대기 샤워에서 입자 전하의 횡방향 분포를 측정하였다.
• 대기 샤워 전면 샘플링 기법을 적용하여 횡방향 밀도 분포에서 전자기 성분을 재구성하였다.
• CORSIKA 시뮬레이션과 QGSJET 입자 상호작용 모델을 사용하여 실험 데이터와 비교하였다.
• 다른 샤워 관측량에 기반한 주요 에너지 재구성 방법 간의 일관성 검증을 수행하였다.
• 샤워 발전 매개변수에서 유도된 연장률과 경량 핵 비율을 사용하여 조성을 제약 조건화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 0.3에서 10 PeV 사이의 우주선 에너지 스펙트럼은 어떻게 되며, '무릎'은 어디에 위치하는가?
• RQ2 이 범위에서 우주선의 화학 조성은 에너지에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 관측된 스펙트럼이 CORSIKA와 같은 현재의 공기 샤워 시뮬레이션 모델과 얼마나 일관되는가?
• RQ4 샤워 발전에 대한 최적의 연장률은 무엇이며, 에너지에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 우주선 중 경량 핵의 비율은 얼마이며, 이 비율은 에너지 범위 전반에서 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 에너지 스펙트럼은 3.98 (+4.66/-0.83) PeV (통계적) ± 0.53 PeV (체계적)에서 '무릎'을 보인다.
• 미분 에너지 스펙트럼은 무릎 이하에서 지수 -2.72 (+0.02/-0.03) (통계) ± 0.07 (체계적)이며, 무릎 이상에서는 -3.22 (+0.47/-0.59) (통계) ± 0.08 (체계적)이다.
• 전체 에너지 범위에 대한 최적의 연장률은 78.3 ± 1.0 (통계) ± 6.2 (체계적) g/cm²이며, 고에너지 영역에서 감소할 가능성이 있다.
• 경량 핵 비율은 에너지 범위 전반에서 37 (+28/-21)% 에서 8 (+32/-8)% (통계 및 체계적 오차 통합)로 감소한다.
• 체계적 오차 분석 결과, 90% 신뢰 수준에서 일정한 조성을 배제할 수 없다.
• 다른 에너지 재구성 방법 간의 일관성 검증을 통해 시뮬레이션과 데이터 간의 일치가 확인되어 결과의 신뢰성을 뒷받침한다.