[논문 리뷰] Search for Anisotropy in the Ultra High Energy Cosmic Ray Spectrum using the Telescope Array Surface Detector

Rasha Abbasi, Mitsuru Abe외 129명|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 16.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 초고에너지우주선(UHECR) 스펙트럼의 비등방성에 대해 테lesiopes Array 표면 검출기를 사용하여 초과감지된 에너지 스펙트럼을, 초과감지된 영역(은하수평면 근처)과 비초과감지 영역 간 비교함으로써 조사한다. 스펙트럼의 끊어짐에서 3.2σ의 유의미한 차이를 발견하였으며, 이는 비초과감지 영역에서 더 이르게 억제가 발생하고 있음을 시사하며, 원자핵이 수소이며 자기장 편향이 무시할 만큼 작은 것으로 가정한 전파 모델과 일치한다.

ABSTRACT

The Telescope Array (TA) experiment is located in the western desert of Utah, USA, and observes ultra high energy cosmic rays (UHECRs) in the Northern hemisphere. At the highest energies, $E>10$~EeV, the shape of cosmic ray energy spectrum may carry an imprint of the source density distribution along the line of sight different in different directions of the sky. In this study, we search for such directional variations in the shape of the energy spectrum using events observed with the Telescope Array's surface detector. We divide the TA field of view into two nearly equal-exposure regions: the "on-source" region which we define as $\\pm 30^\\circ$ of the supergalactic plane containing mostly nearby structures, and the complementary "off-source" region where the sources are further away on average. We compare the UHECR spectra in these regions by fitting them to the broken power law and comparing the resulting parameters. We find that the off-source spectrum has an earlier break at highest energies. The chance probability to obtain such or larger difference in statistically equivalent distributions is estimated as $6.2\\pm1.1\ imes10^{-4}$ ($3.2\\sigma$) by a Monte-Carlo simulation. The observed difference in spectra is in a reasonable quantitative agreement with a simplified model that assumes that the UHECR sources trace the galaxy distribution from the 2MRS catalogue, primary particles are protons and the magnetic deflections can be neglected.

연구 동기 및 목표

• 다른 시선 방향을 따라 전파 효과로 인한 초고에너지우주선(UHECR) 에너지 스펙트럼의 방향적 변동을 조사하기 위해.
• 초과감지원의 거리와 대규모 구조 분포가 UHECR 스펙트럼의 형태에 조절되는지 테스트하기 위해.
• 관측된 스펙트럼 차이가 통계적 변동 때문인지 물리적 비등방성 때문인지 판단하기 위해.
• 2MRS 은하 목록 기반의 단순 전파 모델과 관측된 스펙트럼 차이의 일관성을 평가하기 위해.
• 스펙트럼 형태의 비등방성이 UHECR의 원천 위치와 조성 탐지에 보조적인 방법으로 활용될 수 있는지 탐색하기 위해.

제안 방법

• Telescope Array의 시야를 두 개의 거의 동일한 노출 시간을 가진 영역으로 나누었음: on-source(은하수평면으로부터 ±30° 이내) 및 off-source.
• 각 영역에서 관측된 UHECR 에너지 분포를 끊어진 거듭제곱법에 적합시켜 스펙트럼 매개변수를 추출함.
• 통계적 평형 조건 하에서 관측된 스펙트럼 차이를 볼 확률을 추정하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 사용함.
• 수소 원자핵을 기초로 하고, 2MRS 은하 밀도 프로파일과 0.1 nG의 무작위 자기장을 가정한 CRPropa 기반 시뮬레이션과 결과를 비교함.
• 우주 마이크파배경 복사에서 광생성에 의한 에너지 손실을 단순화된 모델로 적용하여 스펙트럼 조절을 예측함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 근처의 물질 집합이 있는 영역(on-source)과 없는 영역(off-source) 간에 에너지 스펙트럼 형태에 통계적으로 유의미한 차이가 존재하는가?
• RQ2 관측된 스펙트럼 차이가 통계적 변동 때문인지, 아니면 UHECR 원천의 물리적 비등방성 때문인지?
• RQ3 UHECR이 2MRS 목록에 따라 추적되는 은하에서 기인한다는 모델의 예측과 관측된 스펙트럼 특징가 얼마나 일치하는가?
• RQ4 CMB 상호작용에 의한 에너지 손실이 다양한 거리에 있는 원천에 대해 스펙트럼을 어떻게 다르게 조절하는가?
• RQ5 스펙트럼 형태의 비등방성이 각도 클러스터링 기반의 방법 외에 UHECR 원천을 식별하는 데 보조적인 방법으로 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 비초과감지 영역은 초과감지 영역보다 고에너지 영역에서 더 이르게 스펙트럼의 끊어짐을 보이며, 이는 더 빠른 플럭스 억제를 시사한다.
• 통계적으로 동일한 분포에서 이러한 스펙트럼 차이를 우연히 관측할 확률은 6.2 × 10⁻⁴로 추정되며, 이는 3.2σ의 유의미성에 해당한다.
• 관측된 스펙트럼 차이는 원자핵이 수소이며 자기장 편향이 무시할 수 있을 정도로 작은 것으로 가정한 시뮬레이션과 정성적으로 일치한다.
• 2MRS 은하 밀도 프로파일과 CRPropa 2.2.0.4 기반의 시뮬레이션은 거리에 따른 스펙트럼 조절의 정성적 경향을 재현한다.
• 결과는 각도 클러스터링 임계값과 무관하게 UHECR 에너지 스펙트럼의 비등방성에 3.2σ의 증거를 제공한다.
• 이 방법은 하늘 전역에서 스펙트럼 형태의 변화를 분석함으로써 UHECR 원천과 조성을 탐색하는 데 새로운 접근법을 제공한다.