[논문 리뷰] Features of the energy spectrum of cosmic rays above $2.5{ imes} 10^{18}$ eV using the Pierre Auger Observatory

A. Aab, P. Abreu외 380명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 01.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 18

한 줄 요약

이 연구는 페르 라우르 관측소의 215,030개의 사건을 이용하여 2.5×10¹⁸ eV 이상의 우주선 에너지 스펙트럼을 고정밀도로 측정한다. 이는 약 1.3×10¹⁹ eV에서 스펙트럼의 급격한 경화를 보여주며, 5×10¹⁹ eV 이상에서는 급격한 기울기 증가가 나타나며, 기울기 의존성은 관측되지 않으며, 에너지에 따라 변화하는 질량 조성 모델과 일치하며, 5×10¹⁸ eV 이상에서 에너지 밀도는 (5.66 ± 1.40)×10⁵³ erg Mpc⁻³로 측정된다.

ABSTRACT

We report a measurement of the energy spectrum of cosmic rays above $2.5{ imes} 10^{18}$ eV based on $215,030$ events. New results are presented: at about $1.3{ imes} 10^{19}$ eV, the spectral index changes from $2.51 \pm 0.03 extrm{ (stat.)} \pm 0.05 extrm{ (sys.)}$ to $3.05 \pm 0.05 extrm{ (stat.)}\pm 0.10 extrm{ (sys.)}$, evolving to $5.1\pm0.3 extrm{ (stat.)} \pm 0.1 extrm{ (sys.)}$ beyond $5{ imes} 10^{19}$ eV, while no significant dependence of spectral features on the declination is seen in the accessible range. These features of the spectrum can be reproduced in models with energy-dependent mass composition. The energy density in cosmic rays above $5{ imes} 10^{18}$ eV is $(5.66 \pm 0.03 extrm{ (stat.)} \pm 1.40 extrm{ (sys.)} ) { imes} 10^{53}~$erg Mpc$^{-3}$.

연구 동기 및 목표

• 대규모 사건 샘플을 이용하여 2.5×10¹⁸ eV 이상의 우주선 에너지 스펙트럼을 정밀하게 측정하는 것.
• 스펙트럼 특징이 방향성에 따라 달라지는지, 특히 기울기 방향에 따라 달라지는지 조사하는 것.
• 지역 천문학적 범위에서 5×10¹⁸ eV 이상의 우주선 에너지 밀도를 결정하는 것.
• 관측된 스펙트럼 특징이 에너지에 따라 변화하는 질량 조성 모델과 얼마나 일치하는지 평가하는 것.

제안 방법

• 페르 라우르 관측소의 지상 공기 샤워 탐지기에서 수집한 215,030개의 우주선 사건 분석.
• 도착 방향과 샤워 발달 파ameters를 이용하여 주입 입자 에너지를 추정함으로써 에너지 스펙트럼 복원.
• 재표본화 및 교정 기법을 통해 통계적 및 체계적 오차를 추정하여 불확도를 정량화.
• 에너지 구간에서 스펙트럼 지수를 결정하여 스펙트럼의 구조적 변화를 식별.
• 기울기 범위에 따라 다른 스펙트럼 특징을 비교하여 스펙트럼 행동의 이방성 여부를 시험.
• 조사 범위와 노출량을 고려하여 5×10¹⁸ eV 이상의 통합 플럭스를 이용해 우주선 에너지 밀도 계산.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 우주선 에너지 스펙트럼은 2.5×10¹⁸ eV 이상에서 경화 또는 연화 특징을 보이며, 그 에너지 척도는 무엇인가?
• RQ2 스펙트럼 특징이 원천 방향의 기울기에 따라 측정 가능한 의존성을 보이는가?
• RQ3 지역 천문학적 체적에서 5×10¹⁸ eV 이상의 우주선 총 에너지 밀도는 얼마인가?
• RQ4 관측된 스펙트럼 구조는 주입 입자의 질량 조성이 에너지에 따라 변화하는 모델로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 약 1.3×10¹⁹ eV에서 스펙트럼 지수는 2.51 ± 0.03 (통계적) ± 0.05 (체계적)에서 더 높은 에너지에서 3.05 ± 0.05 (통계적) ± 0.10 (체계적)으로 경화됨.
• 5×10¹⁹ eV 이상에서는 스펙트럼 지수가 5.1 ± 0.3 (통계적) ± 0.1 (체계적)으로 급격히 기울어져 강한 에너지 의존성을 나타냄.
• 관측소가 접근 가능한 범위 내에서 스펙트럼 특징의 기울기 의존성은 유의미하게 관측되지 않음.
• 5×10¹⁸ eV 이상의 우주선 에너지 밀도는 (5.66 ± 0.03 (통계적) ± 1.40 (체계적)) × 10⁵³ erg Mpc⁻³로 측정됨.
• 관측된 스펙트럼의 진화는 우주선 조성이 에너지에 따라 변화하는 모델과 일치함.
• 높은 통계 정밀도 덕분에 스펙트럼의 끊어짐을 신뢰성 있게 식별하고 신뢰도 높은 오차 추정이 가능함.