[论文解读] Cosmic ray spectrum in the energy range 1.0E15-1.0E18 eV and the second knee according to the small Cherenkov setup at the Yakutsk EAS array

С. П. Кнуренко, З. Е. Петров+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 5

一句话总结

本研究利用雅库茨克EAS阵列15年以上的切伦科夫光数据，精确测量了10^15–10^18 eV能量范围内的宇宙射线能谱。结果确认在约10^17 eV处存在第二个膝峰，能谱指数变化Δγ₂₃ = 0.32 ± 0.03 ± 0.05，表明宇宙射线可能由银河系起源向河外起源过渡，该结论得到质量组成在10^18 eV处从⟨ln A⟩ ~ 3急剧变化至~1.5的证据支持。

ABSTRACT

From the data on Cherenkov light from EASs collected over the period of more than 15 years, the spectrum of cosmic rays was obtained in the energy range 1.0E15-1.0E18 eV. This spectrum has two features: at ~3.0E15 eV (first knee) and at ~1.0E17 eV (second knee). The first knee is characterized by the indexes γ_1=2.7+/-0.03 and γ_2 = 3.12+/-0.03 and the second knee - by γ_1 = 2.92+/-0.03 and γ_2=3.24+/-0.04. In the second case the difference amounts to Δγ_23=0.32{\pm}0.03{\pm}0.05 which is less than the case of the first knee Δγ_12=0.42+/-0.03+/-0.05 (here dual errors represent statistics and systematics correspondingly). The lesser difference Δγ_23 can be explained with the influx of cosmic rays from Meta-galaxy and, hence, with some increase of the cosmic rays intensity in the energy range 5.0E16-1.0E18 eV, which compensates the escape of heavier nuclei from the Galaxy. The presence of the second knee could be confirmed by abrupt change in mass composition from from lnA~3 at ~1.0E17 eV to lnA~1.5 at 1.0E18eV found from the analysis of longitudinal development of EAS.

研究动机与目标

• 利用雅库茨克EAS阵列长期收集的切伦科夫光数据，精确测量10^15–10^18 eV能量范围内的宇宙射线能谱。
• 研究宇宙射线谱中第二个膝峰的存在性及其特性，特别是围绕10^17 eV的能量区域。
• 考察宇宙射线质量组成随能量的变化，特别是约10^17 eV处由重核向轻核转变的现象。
• 判断第二个膝峰是否源于银河系束缚效应，或是否由河外宇宙射线注入引起。

提出的方法

• 通过小型切伦科夫探测装置，在距簇射核心150 m和400 m处测量切伦科夫光通量Q(150)和Q(400)。
• 结合带电粒子密度ρₛ(300)和ρₛ(600)等广延大气簇射（EAS）参数，对簇射进行分类与选择。
• 利用蒙特卡罗模拟校正触发效率的变化，并考虑簇射发展过程中的涨落及大气效应。
• 通过考虑探测器几何结构、能量重建方法及簇射发展差异，计算有效面积S_eff。
• 通过将Q(150)参数作为初级粒子能量的代理，平衡簇射能量以重建能谱。
• 基于切伦科夫光和μ子测量结果，利用EAS纵向发展特征推断质量组成，并在强子相互作用模型（QGSJETII-03和SIBYLL-2.1）之间进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 在10^15–10^18 eV能量范围内，宇宙射线谱是否表现出第二个膝峰？若存在，其位置在哪里？
• RQ2 第二个膝峰伴随的能谱指数变化（Δγ）是多少？与第一个膝峰相比有何差异？
• RQ3 宇宙射线质量组成在第二个膝峰附近如何变化？这对高能宇宙射线起源有何启示？
• RQ4 观测到的能谱和质量组成能否由银河系与河外宇宙射线之间的过渡来解释？
• RQ5 第二个膝峰是否与河外宇宙射线注入或银河系束缚效应的模型一致？

主要发现

• 宇宙射线谱在约10^17 eV处存在第二个膝峰，由能谱指数变化Δγ₂₃ = 0.32 ± 0.03 ± 0.05确认。
• 第二个膝峰以下的能谱指数为γ₁ = 2.92 ± 0.03，以上为γ₂ = 3.24 ± 0.04，表明高能区谱更软。
• 与第一个膝峰相比，第二个膝峰不那么显著，其指数差值较小（Δγ₂₃ = 0.32），而第一个膝峰的Δγ₁₂ = 0.42，表明过渡更平滑。
• 质量组成在约10^17 eV处从⟨ln A⟩ ~ 3急剧变化至⟨ln A⟩ ~ 1.5（在约10^18 eV处），支持第二个膝峰的存在。
• 观测到的能谱和质量组成与银河系向河外宇宙射线的过渡一致，河外贡献可补偿重核从银河系逃逸的影响。
• 数据支持在3×10^17–5×10^18 eV能量范围内存在银河系与河外宇宙射线的过渡边界，与包含元星系宇宙射线的模型预测一致。