[論文レビュー] Cosmic Rays with Energy Above 10^{17} ev

V. P. Egorova, А. В. Глушков+11 more|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2004

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、ヤクーツクEASアレイの超高エネルギー宇宙線データを、改良された空間分布関数（LDF）を用いて再分析し、核の位置特定と粒子密度推定を精緻化した。補正されたS600値は10–20%増加し、10^19 eV近辺でヒレスのスペクトルと比較して約2.5倍高いエネルギースペクトルが得られたが、密度測定における大きな不確実性と系争的要因のため、GZKカットオフと整合的であることが判明した。

ABSTRACT

The energy spectrum of primary cosmic rays with ultra high energies based on the Yakutsk EAS Array data is presented. For the largest events values of S600 and axis coordinates have been obtained using revised lateral distribution function. The affect of the arrival time distribution at several axis distance on estimated density for Yakutsk and AGASA is considered.

研究の動機と目的

• 10^17 eVを超える宇宙線のエネルギースペクトル推定を、精緻化された核の位置特定と粒子密度測定を用いて改善すること。
• シャワー核からの大距離における粒子到着時刻分布およびRCコンバータのタイミングが、密度推定に与える影響を調査すること。
• ヤクーツク、AGASA、ヒレス実験間の強度差を、密度測定における系統的バイアスの補正によって解明すること。
• 観測されたスペクトルが、約10^20 eVにおけるGZKカットオフを支持するか、あるいは否定するかを評価すること。

提案手法

• 大規模シャワーの核の位置特定を改善するため、AGASAと類似した改訂版空間分布関数（LDF）を適用した。
• AGASAの粒子分布データを用いて、R = 1050, 1500, 2000 mでの検出器応答をシミュレートし、推定密度と真の密度の比であるK_Rを算出した。
• K_R値を用いて、RCコンバータのタイミングとアフターパルスの影響による、ヤクーツクの密度低減とAGASAの密度過大評価を定量化した。
• S300およびS600の補正式を適用し、より正確な一次宇宙線エネルギー推定を実施した。
• ヤクーツク、AGASA、ヒレスの微分エネルギースペクトルを比較し、整合性と強度差を評価した。
• AGASAの定入力RCコンバータにおける遅延粒子（例：中性子）およびバックグラウンドミューオンの系統的誤差を考慮した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RCコンバータの時間分解能が、シャワー核からの大距離における粒子密度推定にどのように影響するか？
• RQ2 遅延粒子およびバックグラウンドミューオンが、AGASAシステムにおける密度過大評価にどの程度寄与しているか？
• RQ3 補正された空間分布関数を適用することで、ヤクーツクアレイにおける核の位置特定とS600推定はどの程度改善されるか？
• RQ4 シャワー核からの距離が大きくても、ヤクーツク、AGASA、ヒレスの強度測定値に顕著な差が生じる理由は何か？
• RQ5 現在の不確実性を考慮しても、ヤクーツクのデータは約10^20 eVにおけるGZKカットオフの存在を除外できるか？

主な発見

• 補正された空間分布関数の使用により、アレイ内シャワーではS600値が10%増加し、アレイ周辺では20%増加した。
• 2000 mの距離では、ヤクーツクのRCコンバータのタイミングによる粒子密度の24%低減（K_R = 0.76）が生じた。一方、AGASAの定入力システムでは20%の過大評価（K_R = 1.2）が生じた。
• シミュレーションにより、E0 = 10^20 eVのシャワーにおいて、2000 mでのヤクーツクの低減は10%未満に抑えられ、低粒子密度における有効シャワー前線厚さの減少に起因した。
• ヤクーツクのエネルギースペクトルは、10^19 eV近辺でヒレスの2.5倍高く、AGASAの30%以上高いが、主に改善されたエネルギー推定によるものである。
• 系統的誤差を補正した後も、ヤクーツクのデータはGZKカットオフを排除できない。10^20 eVを超えるイベントは、1つのみであり、標準誤差分のエネルギー低減後でも同様であった。
• AGASAのエネルギー推定はモデル依存性と補正されていないタイミング効果の影響を受けており、報告された平均不確実性は約20%であった。