[논문 리뷰] Search for correlations between arrival directions of ultrahigh-energy cosmic rays detected by the Telescope Array experiment and a flux pattern from nearby starburst galaxies

Rasha Abbasi, Mitsuru Abe외 138명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 05.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 테lesiopes Array 실험에서 관측된 초고에너지 우주선이 가까운 성성은하군의 복사율 패턴과 상관이 있는지 여부를 검증한다. 이는 페리에 아우제르 협동작업의 이전 결과에서 유도된 고정된 매개변수를 사용한다. 결과로는 비이방성의 유의미한 증거가 없으며(등방성으로부터 1.1σ), 아우제르의 결과와 일치한다(1.4σ 차이), 이는 TA 데이터에서 등방성과 성성은하군 상관 가설 사이에 통계적으로 구분이 되지 않음을 시사한다.

ABSTRACT

The Pierre Auger Collaboration (Auger) recently reported a correlation between the arrival directions of cosmic rays with energies above 39 EeV and the flux pattern of 23 nearby starburst galaxies (SBGs). In this Letter, we tested the same hypothesis using cosmic rays detected by the Telescope Array experiment (TA) in the 9-year period from May 2008 to May 2017. Unlike the Auger analysis, we did not optimize the parameter values but kept them fixed to the best-fit values found by Auger, namely 9.7% for the anisotropic fraction of cosmic rays assumed to originate from the SBGs in the list and 12.9° for the angular scale of the correlations. The energy threshold we adopted is 43 EeV, corresponding to 39 EeV in Auger when taking into account the energy-scale difference between two experiments. We find that the TA data is compatible with isotropy to within 1.1{\sigma} and with the Auger result to within 1.4{\sigma}, meaning that it is not capable to discriminate between these two hypotheses.

연구 동기 및 목표

• 테lesiopes Array 실험에서 관측된 초고에너지 우주선의 도래 방향이 가까운 성성은하군의 복사율 패턴과 방향적 상관관계를 가지는지 조사하기 위해.
• 이전 분석에서 페리에 아우제르 협동작업이 도출한 고정된 매개변수를 사용하여, 43 EeV 이상의 우주선 중 일부가 성성은하군에서 유래한다는 가설을 검증하기 위해.
• 테lesiopes Array 데이터가 등방성과 성성은하군에 의해 유도된 비이방성 가설 사이에서 구별할 수 있는지 평가하기 위해.
• 에너지 스케일의 차이를 고려하여, 테lesiopes Array 결과가 페리에 아우제르 협동작업이 보고한 39 EeV에서의 상관관계와 얼마나 일치하는지 평가하기 위해.
• 아우제르에서 유도된 고정된 각도 스케일과 비이방성 비율을 사용하여, 관측된 데이터가 제안된 상관관계를 지지하는지 여부를 판단하기 위해.

제안 방법

• 성성은하군에서 유래하는 우주선에 대해 페리에 아우제르 협동작업이 이전에 도출한 바와 동일한 비이방성 비율 9.7%와 각도 스케일 12.9°를 사용하였다.
• 2008년 5월부터 2017년 5월까지의 테lesiopes Array 데이터를 사용하였으며, 43 EeV 이상의 에너지를 가진 우주선에 집중하였고, 아우제르 분석에서 사용된 39 EeV 기준과 일치하도록 조정하였다.
• 23개의 가까운 성성은하군의 공간적 복사율 패턴과 초고에너지 우주선 도래 방향 간의 방향적 상관관계 테스트를 시행하였다.
• 등방성에서의 이탈의 유의미성을 계산하고, 동일한 통계적 프레임워크를 사용하여 아우제르 결과와 직접 비교하였다.
• 최적화를 방지하기 위해 모델 매개변수를 고정하여, 원래 아우제르 분석과의 직접 비교를 보장하였다.
• 관측된 상관관계의 통계적 유의미성을 등방성 대비(1.1σ)와 아우제르 결과 대비(1.4σ)로 계산하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 테lesiopes Array에서 관측된 초고에너지 우주선의 도래 방향과 가까운 성성은하군의 복사율 패턴 사이에 유의미한 상관관계가 있는가?
• RQ2 동일한 모델 매개변수를 사용할 때, 테lesiopes Array 데이터는 페리에 아우제르 협동작업이 제안한 비이방성 가설을 지지하는가?
• RQ3 테lesiopes Array 데이터에서 관측된 상관관계의 통계적 유의미성은 등방성 대비 얼마인가?
• RQ4 동일한 모델 매개변수를 고려할 때, 테lesiopes Array 결과는 아우제르 결과와 얼마나 일치하는가?
• RQ5 테lesiopes Array 데이터는 등방성과 성성은하군에 의해 유도된 비이방성 가설 사이에서 구별할 수 있는가?

주요 결과

• 테lesiopes Array 데이터는 등방성에서의 유의미한 이탈이 없으며, 등방성으로부터 1.1σ의 유의미성을 보인다.
• 테lesiopes Array 데이터에서 관측된 상관관계는 페리에 아우제르 협동작업의 결과와 일치하며, 1.4σ의 차이만을 보인다.
• 등방성 가설을 성성은하군에 의해 유도된 비이방성 가설로 대체할 근거가 데이터에서 제공되지 않는다.
• 아우제르 분석에서 유도된 고정된 모델 매개변수(비이방성 비율 9.7%, 각도 스케일 12.9°)를 재최적화 없이 그대로 적용하여 직접 비교 가능성을 유지하였다.
• 테lesiopes Array 데이터에서는 등방성 가설과 성성은하군 상관 가설 사이에 통계적 구별이 불가능하다.
• 결과는 테lesiopes Array 실험에서 페리에 아우제르 협동작업이 보고한 비이방성 신호를 확인하지 못했으며, 유의미한 수준에서도 이를 반박하지는 않는다는 것을 시사한다.