[논문 리뷰] Highlights from the Pierre Auger Observatory (ICRC2019)

A. Castellina|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 24.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 1인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 15년이 넘는 우주선 관측 기간 동안 페리어 아우저 관측소에서 확보한 초고에너지 우주선(UHECR) 관측 결과의 핵심 사항을 제시한다. 이는 에너지 스펙트럼이 10^20.2 eV까지 측정된 바, 플루오레스선 및 표면 탐지기로 측정된 질량 조성, 대규모 및 중간 규모의 이sovropia 연구를 포함한다. 아우저프라임 업그레이드를 통해 이벤트별 질량 조성 측정 능력을 향상시키고, 유속 억제의 기원을 탐색하기 위해, 표면 탐지기, 라디오 안테나, 지하 뮤온 탐지기를 업그레이드하여 가속기의 한계를 초월한 주입 입자 정체성과 강입자 상호작용에 대한 민감도를 향상시킨다.

ABSTRACT

The Pierre Auger Observatory has collected data for more than 15 years, accumulating the world's largest exposure to ultrahigh energy cosmic rays (UHECRs). The energy spectrum of the UHECRs has been measured up to $10^{20.2}$ eV, and their mass composition has been studied exploiting both the fluorescence and surface detectors of the Observatory. The analysis of the UHECRs arrival directions allowed us to measure their large-scale anisotropies over more than three decades in energy. The searches for intermediate-scale anisotropies are being performed with an exposure now reaching approximately $100,000$ km$^2$sr yr. For the first time, the fluctuations in the number of muons in inclined air showers above $4 imes 10^{18}$ eV have been obtained, while more information in the energy range $10^{17.5}-10^{18.3}$ eV comes from the direct measure of muons with the underground scintillators of the Observatory. Moreover, we discuss the limits obtained on the fluxes of neutral particles and the results of the searches for UHE neutrinos from transient astrophysical sources. The new perspectives opened by the current results call for an upgrade of the Observatory, whose main aim is the collection of new information about the primary mass of the highest energy cosmic rays to understand the origin of the observed flux suppression. The progress of the upgrade of the Observatory, AugerPrime, is presented and discussed.

연구 동기 및 목표

• 10^17 eV 이상의 초고에너지 우주선(UHECR)의 기원과 조성을 이해하기 위해.
• UHECR 스펙트럼에서 관측된 유속 억제의 본질을 규명하기 위해 — 이는 소스의 에너지 한계인지, 아니면 GZK 절단인지 여부를 판단하기 위함이다.
• 업그레이드된 탐지기를 사용하여 이벤트별 질량 조성 측정 능력을 향상시켜 주입 질량과 강입자 상호작용 모델 간의 모호함을 해소하기 위해.
• 최고 에너지에서 수소핵을 탐지함으로써 양성자 천문학을 실현하기 위해.
• 중성 입자 및 일시적인 천체 물리적 소스(초고에너지 뉴트리노 포함)에 대한 관측소의 민감도를 확장하기 위해.

제안 방법

• 페리어 아우저 관측소는 하이브리드 탐지 시스템을 사용한다: 1.5 km 간격의 1600개의 워터 츄레노프 탐지기(WCD)와 27台의 망원경을 가진 4개의 플루오레스선 탐지기(FD)를 통해 대기 중의 샤워 발달을 측정한다.
• 에너지 재구성은 샤워 중심으로부터 1 km 거리에서의 신호(S(1000))에 상수 강도 컷(CIC) 방법를 적용하고, 기준 조사각 38°로 보정된 S38로 보정하며, FD-SD 하이브리드 이벤트를 통한 모델에 의존하지 않는 캘리브레이션을 실시한다.
• 아우저프라임 업그레이드는 각 WCD 정류소에 3.8 m²의 플라스틱 색소리터 탐지기(SSD)를 추가하여 작은 PMT를 통해 동적 범위를 확장하고, 30–80 MHz에서 공기 샤워의 라디오 방출을 탐지하기 위한 라디오 안테나(RD)를 설치한다.
• 뮤온 함량은 인피르 영역에 설치된 지하 뮤온 탐지기(UMD)를 통해 직접 측정되며, WCD와 SSD 신호를 보완하여 뮤온 수와 샤워 깊이를 재구성한다.
• 이벤트별 재구성은 다변량 분석과 샤워의 보편성 원리를 활용하여, 정류소 간의 시간, 신호 진폭, 공간 분포를 종합하여 에너지, 중심 위치, 뮤온 함량을 추정한다.
• 라디오-하이브리드 이벤트는 WCD 신호(전자기 성분)와 라디오 안테나 신호(라디오 프린트)를 상관시켜 재구성되며, 특히 큰 라디오 프린트를 가진 기울인 샤워(θ = 60°–84°)에 대해 효과적이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 UHECR 에너지 스펙트럼에서 관측된 유속 억제의 기원은 무엇이며, 이는 GZK 절단인지, 혹은 소스의 에너지 한계를 반영하는가?
• RQ2 10^19.5 eV 이상의 에너지에서 UHECR의 질량 조성은 어떠한가? 에너지에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 아우저프라임 업그레이드가 공기 샤워 시뮬레이션에서 주입 질량과 강입자 상호작용 모델 간의 모호함을 해결할 수 있는가?
• RQ4 최고 에너지에서 UHECR의 몇 퍼센트가 수소핵인가? 그리고 양성자 천문학은 실현 가능한가?
• RQ5 중성 입자 및 일시적인 초고에너지 뉴트리노 소스에 대한 유속 한계는 무엇이며, 다메시저 천체물리학에 어떤 함의를 지닌다?

주요 결과

• UHECR 에너지 스펙트럼은 총 노출량 약 60,000 km² sr yr를 바탕으로 10^20.2 eV까지 측정되었으며, SD1500 어레이에서 215,000건 이상의 이벤트를 사용하였다.
• UHECR 도착 방향의 이sovropia는 에너지 범위가 30여 년 이상에 걸쳐 측정되었으며, 중간 규모의 이sovropia 탐색은 약 100,000 km² sr yr의 노출량에 도달하였다.
• 기울인 공기 샤워에서 4×10^18 eV 이상의 에너지에서 뮤온 수의 변동성을 처음으로 관측하여 뮤온성 샤워 성분에 대한 새로운 통찰을 제공하였다.
• 지하 색소리터(UMD)를 통한 10^17.5–10^18.3 eV 에너지 범위의 직접 뮤온 측정은 주입 질량 조성에 대한 개선된 민감도를 제공하였다.
• SD 에너지 추정치 S38와 하이브리드 이벤트에서 FD에 의해 校정된 에너지 간의 상관관계를 통해 고에너지 영역에서 모델에 의존하지 않는 에너지 스케일 캘리브레이션을 실현하였으며, 불확실도는 5%로 감소하였다.
• 아우저프라임 업그레이드는 350개 이상의 업그레이드된 정류소(WCD+SSD), 라디오 탐지기(RD), UMD를 포함하며, 2020년 내 전면 구축을 목표로 하고 있으며, 데이터 수집은 2025년 이후까지 예정되어 있다.