[논문 리뷰] On the Observation of the Cosmic Ray Anisotropy below 10$^{15}$ eV

G. Di Sciascio, R. Iuppa|arXiv (Cornell University)|2014. 07. 08.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 5인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 10¹⁵ eV 이하에서의 우주선 비등방성에 대한 관측적 증거를 검토하며, 10⁻⁴에서 10⁻³의 진폭으로 지속적인 대규모 시시적 비등방성이 존재함을 밝혀내는데, 이는 오랜 기간 동안 우주선의 방향 분포에 영향을 미치는 '꼬리 안쪽 초과'(40°–90° R.A.)와 '손실 원뿔 결손'(150°–240° R.A.)으로 나타난다. 은하 자기장에 의한 굴절으로 인해 등방성이 예상되지만, 비등방성은 여전히 유지되며, 기존의 우주선 확산 모형이나 은하 자기장 모형으로는 대규모 및 중규모 특징을 동시에 설명할 수 없어 현재 천체물리학 이론에 중요한 격차가 있음을 시사한다.

ABSTRACT

The measurement of the anisotropy in the arrival direction of cosmic rays is complementary to the study of their energy spectrum and chemical composition to understand their origin and propagation. It is also a tool to probe the structure of the magnetic fields through which cosmic rays travel. As cosmic rays are mostly charged nuclei, their trajectories are deflected by the action of galactic magnetic field they propagate through before reaching the Earth atmosphere, so that their detection carries directional information only up to distances as large as their gyro-radius. If cosmic rays below $10^{15}{ m\,eV}$ are considered and the local galactic magnetic field ($\sim3{ m\,μG}$) is accounted for, gyro-radii are so short that isotropy is expected. At most, a weak di-polar distribution may exist, reflecting the contribution of the closest CR sources. However, a number of experiments observed an energy-dependent \emph{"large scale"} anisotropy in the sidereal time frame with an amplitude of about 10$^{-4}$ - 10$^{-3}$, revealing the existence of two distinct broad regions: an excess distributed around 40$^{\circ}$ to 90$^{\circ}$ in Right Ascension (commonly referred to as "tail.in" excess) and a deficit (the "loss cone") around 150$^{\circ}$ to 240$^{\circ}$ in Right Ascension. In recent years the Milagro and ARGO-YBJ collaborations reported the of a "medium" scale anisotropy inside the tail-in region. The observation of such small features has been recently claimed by the IceCube experiment also in the Southern hemisphere. So far, no theory of cosmic rays in the Galaxy exists which is able to explain the origin of these different anisotropies leaving the standard model of cosmic rays and that of the galactic magnetic field unchanged at the same time.

연구 동기 및 목표

• 10¹⁵ eV 이하 에너지 범위에서 강한 자기장 굴절으로 등방성이 예상되는 영역에서의 우주선 비등방성 관측 증거를 분석하는 것.
• 다수의 실험에서 관측된 시시적 비등방성의 기원을 조사하는 것, 특히 오른쪽 자전축에서 '꼬리 안쪽 초과'와 '손실 원뿔 결손'이 동시에 나타나는 현상.
• 현재의 우주선 확산 모형과 은하 자기장 모형이 대규모 및 중규모 비등방성의 공존을 설명할 수 있는지 평가하는 것.
• 표준 모형을 수정하지 않고도 대규모 이중극 비등방성과 국소적 중규모 특징을 동시에 설명할 수 있는 통합된 이론적 프레임워크의 부재를 부각하는 것.

제안 방법

• Milagro, ARGO-YBJ, IceCube 등 지상 우주선 탐지기의 데이터 분석을 통해 시시적 시간에서의 도래 방향 분포를 중심으로 분석.
• 2차원 천구도를 활용하여 국소적 비등방성 특징, 특히 '꼬리 안쪽' 영역(40°–90° R.A.) 내에서의 특징을 식별.
• 10¹¹ eV에서 10¹⁴ eV에 이르는 에너지 범위에서의 비등방성 진폭과 단위를 비교하여 에너지 의존성 평가.
• 확산 계수 D가 강성 R에 따라 의존하는 우주선 확산 이론 모형 평가(D ∝ R⁰.¹⁵–⁰.⁶), 관측된 비등방성을 재현할 수 있는지 평가.
• 헬리오스피어 꼬리에서의 자기 재결합이나 국소 간성 자기장 내의 난류 산란과 같은 대안적 메커니즘 탐색.
• 비등방성 특징과 간성 고에너지 중성 원자 분포, 헬리오스피어 기하학적 구조 간의 상관관계 분석을 통해 외부 영향 요인 테스트.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 은하 자기장 굴절으로 등방성이 예상되는 10¹⁵ eV 이하에서, 왜 10⁻⁴에서 10⁻³의 진폭을 가진 대규모 비등방성이 지속적으로 관측되는가?
• RQ2 시시적 기준에서 관측된 '꼬리 안쪽 초과'(40°–90° R.A.)와 '손실 원뿔 결손'(150°–240° R.A.)을 동시에 설명할 수 있는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 Milagro와 ARGO-YBJ에서 '꼬리 안쪽' 영역에서 보고된 중규모 비등방성은 표준 우주선 확산 모형과 어떻게 조화를 이룰 수 있는가?
• RQ4 헬리오스피어 자기장 상호작용 또는 간성 매질 내 난류 립플링이 관측된 에너지 의존성 비등방성 특징을 설명할 수 있는가?
• RQ5 기존의 은하 내 우주선 확산 이론이 표준 모형을 유지하면서도 대규모 및 소규모 비등방성을 동시에 설명하지 못하는 이유는 무엇인가?

주요 결과

• 다양한 실험에서 일관되게 10⁻⁴에서 10⁻³의 진폭을 가진 대규모 비등방성이 시시적 시간 기준으로 관측되며, 오른쪽 자전축에서 40°에서 90° 사이에 '꼬리 안쪽 초과'가, 150°에서 240° 사이에 '손실 원뿔 결손'이 관측된다.
• 10¹¹ eV에서 10¹⁴ eV의 에너지 범위 전반에 걸쳐 비등방성의 위상과 진폭이 일정하게 유지되어 안정적인 방향성 조절이 이루어지고 있음을 시사한다.
• Milagro와 ARGO-YBJ는 '꼬리 안쪽' 영역 내에서 국소적 구조를 가진 우주선 플럭스의 중규모 비등방성을 보고하였다.
• IceCube 실험은 최근 남반구에서 유사한 소규모 비등방성의 증거를 제시하여 현상의 공간적 커버리지가 확장됨을 보여주었다.
• 표준 우주선 확산 프레임워크와 표준 은하 자기장 모형을 기반으로 한 이론적 모형은 대규모 이중극 비등방성과 국소적 중규모 특징을 동시에 설명할 수 없다.
• 이러한 특징의 공존은 현재의 이해를 도전하며, 자기장 구조 및 입자 산란 메커니즘의 개선 또는 새로운 물리 이론의 필요성을 시사한다.