[논문 리뷰] Observations of Large Scale Sidereal Anisotropy in 1 and 11 TeV cosmic rays from the MINOS experiment

J. M. G. H. J. de Jong|University of North Texas Digital Library (University of North Texas)|2011. 11. 11.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 10

한 줄 요약

MINOS 실험은 1 TeV 및 11 TeV에서 우주선의 대규모 시계성 비등방성을, 그들의 가까운(94 m 지하) 및 먼(720 m 지하) 검출기에서 탐지한 뮤온을 사용하여 측정한다. 실험은 1 TeV에서 8.2 × 10⁻⁴, 11 TeV에서 3.8 × 10⁻⁴의 1차 조화성 비등방성 진폭을 관측하였으며, 위상 이동은 방향성 의존성을 나타내어 은하계 또는 헬리오스피어 조절 효과와 일관된다.

ABSTRACT

The MINOS Near and Far Detectors are two large, functionally-identical, steel-scintillating sampling calorimeters located at depths of 220 mwe and 2100 mwe respectively. The detectors observe the muon component of hadronic showers produced from cosmic ray interactions with nuclei in the earth's atmosphere. From the arrival direction of these muons, the anisotropy in arrival direction of the cosmic ray primaries can be determined. The MINOS Near and Far Detector have observed anisotropy on the order of 0.1% at 1 and 11 TeV respectively. The amplitude and phase of the first harmonic at 1 TeV are 8.2$\pm$1.7(stat.)$ imes 10^{-4}$ and (8.9$\pm$12.1(stat.))$^{\circ}$, and at 11 TeV are 3.8$\pm$0.5(stat.)$ imes 10^{-4}$ and (27.2$\pm$7.2(stat.))$^{\circ}$.

연구 동기 및 목표

• 뮤온 탐지 방법을 사용하여 1 TeV 및 11 TeV 에너지에서 우주선의 대규모 시계성 비등방성을 측정하기.
• 이 에너지에서 우주선 비등방성의 제1조화성의 진폭과 위상을 결정하기.
• 시계성 비등방성과 유사하게 보일 수 있는 검출기 수용성 및 대기 온도 변화 영향을 보정하기.
• 고통계 데이터를 활용하여 1 TeV에서의 이중차원 유의도 천구도를 제작하기.
• 이전 실험들인 ARGO-YBJ 및 IceCube와의 결과를 비교하여 방향성 패턴을 검증하기.

제안 방법

• MINOS Near 및 Far 검출기로 기능적으로 동일한 강철-스키니레이팅 샘플링 칼로미터를 사용하여 대기 샤워에서 유래한 뮤온을 탐지하기.
• 뮤온이 원래 1차 입자 방향과 거의 평행하게 진행된다는 가정 하에 뮤온 궤적을 통해 1차 우주선의 방향을 추론하기.
• 사건 선택 절차 적용: 단일 궤적, 2 m 이상 길이, 영점이 검출기 가장자리에서 50 cm 이내, χ²/도수자유도 < 1, 잔차 < 0.04 m, 양호한 운영 조건.
• 실제 검출 시간 및 연간 온도 변화를 보정하기 위해 공식 ΔRμ / ⟨Rμ⟩ = αT ΔTeff / ⟨Teff⟩ 를 사용하여 인위적 비등방성을 제거하기.
• 실제 검출 시간 및 노출 변화 보정을 고려한, 적률 가중 사건 수를 오른쪽 자세각 구간별로 구성한 천구도 제작하기.
• 1차원 비등방성을 제2조화성으로 피팅: A(α) = 1 + Σ An cos[nπ(α−φn)/180], 그리고 σ(α,δ) = [N(α,δ)−⟨N(δ)⟩]/√⟨N(δ)⟩ 를 통해 유의도 계산하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 1 TeV 및 11 TeV 에너지에서 우주선 비등방성의 제1조화성의 진폭과 위상은 무엇인가?
• RQ2 1 TeV에서 11 TeV 사이의 1차 우주선 에너지 범위에서 비등방성 진폭은 어떻게 변화하는가?
• RQ3 관측된 비등방성은 은하계 회전 또는 헬리오스피어 효과와 같은 알려진 천체물리 메커니즘과 일치하는가?
• RQ4 고통계 데이터를 활용하여 1 TeV에서 이중차원 유의도 천구도를 신뢰성 있게 재구성할 수 있는가?
• RQ5 관측된 방향성 특징(예: 은하계 극 부근의 결손, 헬리오테일 방향의 초과)은 이전 실험의 예측과 일치하는가?

주요 결과

• 제1조화성 비등방성의 진폭은 1 TeV에서 8.2 × 10⁻⁴ ± 1.7 × 10⁻⁴ (통계적 오차)이며, 11 TeV에서 3.8 × 10⁻⁴ ± 0.5 × 10⁻⁴ (통계적 오차)로 감소한다.
• 제1조화성의 위상은 1 TeV에서 8.9° ± 12.1°, 11 TeV에서 27.2° ± 7.2°이며, 에너지에 따라 방향 이동이 있음을 나타낸다.
• Far 검출기에서 오른쪽 자세각 150°에서 245° 사이에 5.3σ의 결손이 관측되었으며, 우연의 확률은 0.001%이다.
• Near 검출기에서는 오른쪽 자세각 155°–225° 사이에 11.1σ의 결손, 50°–140° 사이에 7.8σ의 초과가 관측되었으며, 각각의 우연 확률은 0.0001% 미만이다.
• 1 TeV에서의 이중차원 유의도 천구도는 북은하계 극 부근(오른쪽 자세각 192°, 적위 +27°)에서 뚜렷한 결손과 헬리오테일 방향에서 초과를 보여준다.
• 1 TeV 천구도는 이전 ARGO-YBJ의 관측 결과와 일치하여 MINOS 측정 방법과 결과의 타당성을 검증한다.