[논문 리뷰] The Pierre Auger Observatory - a new stage in the study of the ultra-high energy cosmic rays

S. Vorobiov|arXiv (Cornell University)|2008. 11. 05.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 22인용 수 3

한 줄 요약

피에르 아제르 관측소는 10^17 eV 이상의 초고에너지 우주선(UHECRs)을 연구하기 위해 형광망원경과 지상 기반의 수중 체렌코프 검출기를 조합한 하이브리드 검출 시스템을 사용한다. 4×10^19 eV 이상에서 우주선 플럭스의 급격한 감소가 관측되고, 근처의 활성은하핵(AGN)과 관련된 도착 방향의 이방성도 관측되어, 외성간 기원과 혼합 조성의 표준 천체물리적 가속 모델을 지지한다.

ABSTRACT

This paper presents the highlights from the recent measurements of the energy spectrum, mass composition, and arrival directions of the ultra-high energy ($> 10^{17}$ eV = 0.1 EeV) cosmic rays (UHECR) by the Pierre Auger Observatory. The Auger hybrid detector combines fluorescence observations of the longitudinal profiles of extended air showers, initiated by these extremely energetic particles, with measures of the shower secondaries at the ground level by its large array of Cherenkov water tanks. The complementariness of the two techniques provides important cross-checks at the energies unreachable with accelerator experiments. The Pierre Auger experiment has observed a strong steepening of the cosmic ray flux above 40 EeV. A significant anisotropy in the arrival directions of cosmic rays has been established for events above $\simeq 60$ EeV. These events correlate over angular scales of less than 6$^\circ$ with the directions towards nearby ($D < 100$ Mpc) active galactic nuclei. Both observations are consistent with the standard scenarios of the UHECR production in the extragalactic astrophysical acceleration sites. The derived stringent upper limits on the photon and neutrino contents in the UHECR are additional important arguments in support of these scenarios. The measurements of the variation of the depth of shower maximum with energy, interpreted with the current hadronic interaction models, favour the mixed cosmic ray composition at energies above 0.4 EeV. We describe the plans and prospects for the future, that will further help to solve the 50 years old UHECR puzzle.

연구 동기 및 목표

• 초고에너지 우주선(UHECR) 기원과 조성에 대한 50년간의 난제를 해결하기 위해.
• 천체물리적 가속 모델과 광자 또는 뉴트리노를 포함하는 이국적인 '상향식' 시나리오를 구분하기 위해.
• UHECRs의 에너지 스펙트럼, 질량 조성, 도착 방향 분포를 고정밀도로 측정하기 위해.
• 은하계 내 우주선에서 외성간 우주선으로의 전이를 연구하기 위해 낮은 에너지 영역(10^17–5×10^18 eV)까지 검출 능력을 확장하기 위해.
• 향후 관측소 확장, 특히 아우저 노스와 AMIGA를 개발하여 감도 향상과 천구 전역 커버리지 확보를 위해.

제안 방법

• 장대한 수중 체렌코프 검출기 어레이를 통해 지면에서의 측정과 함께 종방향 쇼워 프로파일의 형광 검출을 결합한다.
• 하이브리드 검출을 통해 에너지 및 조성 추정치를 상호 검증하고, 강입자 상호작용 모델에 대한 의존도를 줄인다.
• 에너지 측정을 위해 10%의 작업 주기 형광 기법을 사용하여 쇼워 발달 특성에 의존하지 않는 칼로리메트릭 에너지 측정을 수행한다.
• 10^17–5×10^18 eV 범위에서 질량 조성을 향상시키기 위해 밀도가 높은 표면 검출기 어레이에 뮤온 카운터(AMIGA)를 통합한다.
• 10–100 MHz 대역에서의 라디오 검출 기술을 통합하여 100% 작업 주기의 보완적 방법을 제공하며, SD 및 FD 방법과의 조화를 이룬다.
• 20,740 km²의 북부 아우저 관측소를 계획 중이며, 4,000개의 표면 검출기와 40~50대의 형광망원경을 설치하여 커버리지와 통계량을 확장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 10^17 eV 이상의 초고에너지 우주선의 기원은 무엇인가?
• RQ2 약 5×10^19 eV에서 관측된 플럭스 억제 현상은 CMB 상호작용에서 피온 생성으로 인한 GZK 절단과 일치하는가?
• RQ3 UHECRs의 도착 방향은 이방성이 있으며, 근처의 활성은하핵(AGN)과 관련이 있는가?
• RQ4 4×10^17 eV 이상에서 UHECRs의 질량 조성은 무엇이며, 에너지에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 라디오 검출 기술은 UHECR 쇼워 재구성에 대해 실용적이고 고작동 주기의 대안이 될 수 있는가?

주요 결과

• 4×10^19 eV 이상에서 우주선 플럭스의 급격한 감소가 관측되었으며, 이는 GZK 절단과 일치한다.
• ~6×10^19 eV 이상의 사건에서 도착 방향에 대해 유의미한 이방성이 확인되었으며, 이는 100 Mpc 이내의 근접한(angular scale <6°) 활성은하핵과 관련이 있다.
• 쇼워 최대 깊이가 에너지에 따라 증가하며, 현재의 강입자 상호작용 모델을 해석할 경우 4×10^17 eV 이상의 에너지에서 혼합 조성의 우월성을 지지한다.
• UHECRs 내 광자 및 뉴트리노 함량에 대한 엄격한 상한값이 측정되어, '상향식' 모델보다는 천체물리적 가속 시나리오를 지지한다.
• 통계량 향상과 잔여 입자 천문학 가능성을 위해, 20,740 km² 어레이와 40~50대의 형광망원경을 갖춘 아우저 노스 프로젝트가 계획 중이다.
• 85쌍의 수중 체렌코프 및 뮤온 검출기를 포함한 더 밀도 높은 어레이인 AMIGA를 통해 10^17–5×10^18 eV 범위에서 질량 조성의 정밀도가 향상될 것이다.