[논문 리뷰] Possibility of measurement of cosmic ray electron spectrum up to 100 TeV with two-layer water Cherenkov detector array

A. Neronov, D. Semikoz|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 16.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 100 TeV 이하의 우주선 전자+양전자 스펙트럼을 측정하기 위해 해수면에 위치한 이중층 수중 츄레르코프 검출기 어레이와 연속적인 뮤온 탐지 층을 제안한다. 10 TeV에서 10⁻⁵ 수준의 강입자 배경 제거율을 달성함으로써, 고도가 높은 운영이 필요 없이도 고정밀 전자 스펙트럼 측정이 가능해지며, 전자 및 강입자 유도 쇄도에서의 뮤온 함량 차이를 활용한다.

ABSTRACT

Measurements of cosmic ray electron+positron spectrum above 10 TeV with ground-based experiments is challenging because of the difficulty of rejection of hadronic extensive air shower background. We study the efficiency of rejection of the hadronic background with water Cherenkov detector array supplemented by muon detection layer. We show that addition of a continuous muon detection layer to the experimental setup allows to achieve a ~ 1e-5 rejection factor for hadronic background at 10 TeV and enables measurement of electron spectrum in 10-100 TeV energy range. We show that measurements of electron spectrum in this energy range do not require a high-altitude experiment and can be done with a sea-level detector.

연구 동기 및 목표

• 지상 기반 검출기를 이용해 10–100 TeV 에너지 범위의 우주선 전자+양전자 스펙트럼을 정밀하게 측정하는 것을 목적으로 한다.
• 10 TeV에서 강입자 광범위한 공기 샤워(EAS) 배경이 전자 유도 EAS보다 약 10⁴배 더 흔한 데 비해 이를 억제하는 과제를 해결한다.
• 해수면에 위치한 검출기와 연속적인 뮤온 탐지 층이 전자 스펙트럼 측정에 필요한 충분한 배경 제거율을 확보할 수 있음을 입증한다.
• 기존의 수중 츄레르코프 중성미자 검출기 인프라가 우주선 실험에서 뮤온 탐지에 활용될 수 있는지의 타당성을 평가한다.
• 해수면 및 고고도 검출기 구성 간의 전자 스펙트럼 측정 성능을 비교한다.

제안 방법

• 표면 수중 츄레르코프 검출기(WCDA) 위에 연속적인 뮤온 탐지 층을 배치한 이중층 수중 츄레르코프 검출기 어레이(WCDA)를 활용한다.
• 전자 유도 및 강입자 유도 광범위한 공기 샤워(EAS)에서의 뮤온 함량 차이를 배경 분리에 활용한다.
• 수중에서의 뮤온 탐지 효율성과 츄레르코프 빛 유량을 모델링하여 10–100 TeV 범위에서의 신호 대 배경 비율을 추정한다.
• 수치적 템플릿을 사용해 전자 및 양성자 유도 EAS를 시뮬레이션하고, 뮤온 함량과 타이밍 서명을 비교하여 배경 제거를 최적화한다.
• 통계적 오차와 5%의 체계적 오차 모델링을 적용해 150×150 m² 면적, 30° 천정 수용각, 1년 노출 시간 조건에서 검출기 성능을 평가한다.
• 해수면 및 4.5 km 고도에서의 성능을 평가하여 검출 효율성과 배경 억제 능력을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 10 TeV에서 해수면에 위치한 이중층 수중 츄레르코프 검출기 어레이에 연속적인 뮤온 탐지 층을 갖추면 강입자 배경 제거율이 약 10⁻⁵에 도달할 수 있는가?
• RQ2 100 TeV 이하의 전자 스펙트럼 측정을 가능하게 하기 위해 필요한 뮤온 탐지 효율성과 레이아웃은 무엇인가?
• RQ3 10 TeV 이상의 전자 스펙트럼 측정에서 해수면 검출기의 성능은 고고도 검출기와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 기존의 수중 중성미자 검출기 인프라는 우주선 실험에서 뮤온 탐지 층으로 활용될 수 있는가?
• RQ5 전자 스펙트럼의 기울기가 해수면에서의 탐지 가능성에 미치는 영향은 무엇이며, 언제 고고도 배치가 필수적인가?

주요 결과

• 이중층 수중 츄레르코프 검출기 어레이에 연속적인 뮤온 탐지 층을 구현하면 10 TeV에서 강입자 배경 제거율이 약 10⁻⁵에 도달하여 10–100 TeV 범위의 전자 스펙트럼 측정이 가능하다.
• HESS 데이터의 상한 외삽 결과와 동일한 수준의 10 TeV에서의 광류가 존재할 경우, 해수면에서 전자 스펙트럼을 측정할 수 있으며, 이때 신호 통계는 잔여 배경의 약 10%에 도달한다.
• VERITAS 또는 2008년 HESS 데이터 수준의 낮은 광류에서는 전자 신호 통계가 잔여 배경 이하에 머물러 해수면에서의 측정이 추가적인 탐지 향상 없이 불가능하다.
• 전자 스펙트럼이 기울어져 있을 경우, 20 TeV 이하의 에너지에서 고정밀 측정을 달성하기 위해 고고도 검출기(예: 4.5 km)가 필요하다.
• 해수면에 위치한 이중층 검출기 구성은 고고도 장점이 없더라도 20 TeV 이상에서는 고고도 검출기와 비교해 유사한 측정 품질을 확보할 수 있다.
• 기존의 얕은 깊이의 수중 츄레르코프 중성미자 검출기 인프라(예: ANTARES, Baikal-GVD, KM3Net)는 큰 12인치 PMT를 사용하고 20m 이내의 간격으로 흩어진 레이아웃을 적용함으로써 뮤온 탐지에 재활용될 수 있다.