[논문 리뷰] Observation of Anisotropy in the Arrival Direction Distribution of TeV Cosmic Rays with HAWC

S. BenZvi, D. W. Fiorino외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 19.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 13인용 수 3

한 줄 요약

2013–2014년 HAWC 관측소에서 확보한 181일치 데이터를 바탕으로, 이 연구는 1° 각해상도로 테바 범위의 간섭우주선 비균형을 측정하였으며, (α=60°, δ=−5°), (α=120°), (α=205°)에서 유의미한 소규모 초과를 규명하였다. Region A에서는 에너지에 따라 변화하는 스펙트럼 경화 현상이 드러났으며, 상대적 강도 대 에너지의 기울기에서 4.2σ 유의성 수준을 보였고, 이는 고에너지에서 북반구로 이격된 초과 현상과 일치하며, 이전의 Milagro 및 ARGO-YBJ 관측 결과와도 일치한다.

ABSTRACT

The High-Altitude Water Cherenkov (HAWC) Observatory, located 4100 m above sea level near Sierra Negra (19$^\circ$ N) in Mexico, is sensitive to gamma rays and cosmic rays at TeV energies. The arrival direction distribution of cosmic rays at these energies shows significant anisotropy on several angular scales, with a relative intensity ranging between 10$^{-3}$ and 10$^{-4}$. We present the results of a study of cosmic-ray anisotropy based on more than 86 billion cosmic-ray air showers recorded with HAWC since June 2013. The HAWC cosmic-ray sky map, which has a median energy of 2 TeV, exhibits several regions of significantly enhanced cosmic-ray flux. We present the energy dependence of the anisotropy and the cosmic-ray spectrum in the regions of significant excess.

연구 동기 및 목표

• 테바 범위의 간섭우주선 도착 방향 분포에서 소규모 비균형의 기원을 이해한다.
• 고통계 데이터를 활용해 간섭우주선 초과 영역의 에너지 의존적 스펙트럼 행동을 측정한다.
• HAWC 결과를 이전의 북반구 실험(Milagro, ARGO-YBJ)과 남반구 데이터(IceCube)와 비교하여 일관성과 새로운 특징을 규명한다.
• 특히 Region A에서의 간섭우주선 초과의 형태 및 에너지 진화를 특성화하여 국소 간섭우주선 원천 모델을 시험한다.
• 초과 영역에서의 스펙트럼 경화의 유의성을 평가하여 원천 기반 비균형과 산란 효과를 구분한다.

제안 방법

• 간섭우주선 비균형은 2013년 6월부터 2014년 7월까지 HAWC-111(111개의 물 츄레노프 검출기)에 의해 기록된 8.6×10¹⁰개의 간섭우주선 공기 샤워를 사용하여 측정되었다.
• 도착 방향을 등면적 픽셀로 분할하기 위해 HEALPix 격자(0.2° 해상도)를 사용하여 하늘 맵을 구성하였다.
• 검출기 감도 변화 및 노출 효과를 고려하기 위해 24시간의 시시각각 주기 동안 직접 통합을 통해 기준 등방성 맵 ⟨N⟩(α,δ)을 생성하였다.
• 비균형 특징을 분리하기 위해 관측된 값과 기대되는 등방성 플럭스 간의 차이를 계산하여 잔여 맵을 산출하였다.
• 에너지 프oxy 비닝은 검출기 시뮬레이션을 활용해 각 비닝의 중앙 에너지를 추정하여 생성되었으며, 이는 에너지 의존적 스펙트럼 분석을 가능하게 하였다.
• 스펙트럼 경화의 통계적 유의성은 Region A에서 δI 대 log(E)의 기울기를 1000개의 랜덤 위치에서의 기울기와 비교하고, 정규 분포 기반 기준을 사용하여 평가되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HAWC가 측정한 2 테바 범위의 중앙 에너지에서 간섭우주선 비균형의 에너지 의존적 행동은 어떠한가?
• RQ2 Region A(α=60°, δ=−5°)에서 초과가 에너지가 증가함에 따라 스펙트럼 경화를 보이며, 이 경화 현상은 통계적으로 유의한가?
• RQ3 HAWC에서 관측한 초과의 형태 및 스펙트럼 특징은 북반구에서의 Milagro 및 ARGO-YBJ 결과와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 이전 실험들이 제기한 것처럼, 고에너지에서 Region A의 간섭우주선 초과가 북반구로 이격되는 증거가 있는가?
• RQ5 유사한 중앙 에너지에서 IceCube 데이터와 비교했을 때, 관측된 비균형 특징이 반구 간 일관되게 연결되는가?

주요 결과

• HAWC-111 데이터는 Milagro 및 ARGO-YBJ의 이전 관측 결과와 일치하는 (α=60°, δ=−5°)에서의 유의미한 소규모 초과를 규명하였다.
• Region A의 상대적 강도는 스펙트럼 경화를 보이며, δI 대 log(E)의 최적 피팅 기울기는 (3.8±1.1)×10⁻⁴로 배경 평균보다 4.2σ 유의미하게 높았다.
• 스펙트럼 경화는 기울은 선형 회귀에 대한 χ² 값이 1.16로 감소한 것으로 확인되었으며, 수평선 회귀의 5.66과 비교해 강력한 통계적 유의성을 나타냈다.
• Region A는 에너지 의존적 형태를 보이며, 10 테바 이하에서는 δ≈−5°의 남부 성분이 지배적이지만, 고에너지에서는 δ≈5°의 북부 성분이 나타났다.
• α=120°에 위치한 Region B는 고위도에 걸쳐 확장된 초과를 보이며, Milagro 데이터에서는 높은 위도에도 불구하고 완전히 해결되지 않았고, ARGO-YBJ 결과와 일치하였다.
• HAWC 맵에서 이전에 확인되지 않은 α=280°에서의 초과는 하위 임계 기능으로 관측되었으며, 더 긴 데이터 수집을 통해 새로운 원천으로 확인될 가능성이 있다.