[논문 리뷰] Variations of the cosmic ray composition at energy above 0.1 EeV as observed by muon detectors of Yakutsk array

A.V. Glushkov, A. Sabourov|arXiv (Cornell University)|2013. 11. 06.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 1987~2013년 동안의 야쿠투스크 배열에서의 광역 공기 샤워(EAS)에서의 뮤온 횡방향 분포를 분석하여 0.1 EeV 이상에서의 간섭 우주선(CR) 조성을 추론한다. 1.0×secθ GeV의 에너지 임계값을 가진 뮤온 탐지기를 사용하여, 1996년 이후 CR 조성이 경량에서 중량 핵으로 이동한 것으로 나타났으며, QGSJETII-04 모델이 데이터와 가장 잘 일치하여 1–20×10¹⁷ eV 범위에서 경량 핵으로의 전이와 은하계에서 갈라크티크계로의 전이 가능성을 시사한다.

ABSTRACT

The lateral distribution of muons with ~1.0x\\sec(\ heta) GeV in extensive air showers within ~10^{17}-10^{19} eV energy region obtained during different observational periods from November 1987 to June 2013 has been analyzed. Experimental data have been compared to predictions of various hadron interaction models. The best agreement is observed with QGSJETII-04. Until 1996, the mass composition of cosmic rays with energy below 2x10^{18} eV was significantly lighter than in later periods.

연구 동기 및 목표

• 야쿠투스크 배열의 뮤온 데이터를 이용하여 0.1 EeV 이상의 초고에너지우주선(UHECR)의 에너지에 따른 질량 조성을 결정하기 위해.
• 특히 1996년 이후 관측된 경량 핵에서 중량 핵으로의 이동을 포함한 CR 조성의 시간적 변화를 조사하기 위해.
• QGSJET01D 및 QGSJETII-04와 같은 강입자 상호작용 모델이 관측된 뮤온 횡방향 분포를 얼마나 잘 재현하는지 평가하기 위해.
• UHECR의 기원과 전파에 대한 변화하는 CR 조성의 영향을 평가하기 위해, 특히 은하계 폭발이나 은하계 외부 원천으로의 전이 가능성을 포함하여.

제안 방법

• 야쿠투스크 EAS 배열의 지하 뮤온 탐지기를 사용하여 에너지 임계값 약 1.0×secθ GeV인 뮤온의 횡방향 분포를 측정하였다.
• 기준 에너지를 추정하기 위해 600 m에서의 음전하 입자 밀도(ρs,600)와 모리에 반경(RM)을 사용하였으며, 보정된 관계식 (1)–(3)에 의해 대기 보정을 통합하였다.
• 온도 및 압력에 따라 변하는 모리에 반경을 고려한 수정된 린슬리 근사식 (4)를 사용하여, 음전하 입자의 횡방향 분포 함수(LDFs)를 모델링하였다.
• 실험적 뮤온 밀도(ρμ,300)를 QGSJET01D 및 QGSJETII-04 모델의 시뮬레이션과 비교하여, 가중 함수 (10)–(11)를 통해 평균 원자번호 ⟨lnA⟩를 추론하였다.
• 이전 야쿠투스크 연구에서 확립된 절차(JETPl2012)를 사용하여 탐지기 반응 및 제어 시스템을 보정하였다.
• 시간적 변화를 추적하기 위해 세 개의 관측 기간으로 나누어 분석: 1987–1996년(1996년 이전), 1996–2000년(전이기), 2011–2013년(현재 상태).

실험 결과

연구 질문

• RQ1 1987년부터 2013년까지 야쿠투스크에서의 뮤온 탐측을 통해 0.1 EeV 이상에서의 우주선 질량 조성이 어떻게 변화했는가?
• RQ2 QGSJET01D 또는 QGSJETII-04 중 어느 강입자 상호작용 모델이 광역 공기 샤워에서 관측된 뮤온 횡방향 분포를 가장 잘 재현하는가?
• RQ3 특히 1996년 이후 경량 핵에서 중량 핵으로의 이동을 보여주는 시간적 조성 변화에 대한 증거는 무엇인가?
• RQ4 다른 관측 기간에서 주입 에너지에 따라 추론된 평균 원자번호 ⟨lnA⟩는 어떻게 변화하는가?
• RQ5 관측된 조성 변화는 초고에너지우주선의 기원과 전파에 대해 무엇을 시사하는가?

주요 결과

• QGSJETII-04 모델이 10¹⁷–10¹⁹ eV 에너지 범위에서 실험적 뮤온 횡방향 분포와 가장 잘 일치한다.
• 1987~1996년 기간 동안 평균 원자번호 ⟨lnA⟩는 경량이었으며, 10¹⁷ eV에서 ⟨lnA⟩ = 1.0 ± 0.4였다.
• 1996년 이후 조성이 뚜렷이 무거워졌으며, 2009–2013년 기간 동안 10¹⁷ eV에서 ⟨lnA⟩ = 3.0 ± 0.4였다.
• 2009~2013년 기간 동안 ⟨lnA⟩는 10¹⁷ eV에서 3.0 ± 0.4에서 2×10¹⁸ eV에서 0.4 ± 0.4로 감소하여 에너지가 증가함에 따라 경량 핵으로의 전이를 나타낸다.
• 2×10¹⁸ eV 이상의 에너지에서는 조성이 유의미하게 변화하지 않으며, 약간의 무거운 핵으로의 경향이 있으며, 이는 전 세계 데이터 세트와 일치한다.
• 관측된 시간적 변화는 과거 은하계 내 사건이 중량 핵을 방출한 후 고에너지에서 경량 핵, 가능성이 있는 은하계 외부 성분으로의 전이를 지지하는 가정을 뒷받침한다.