[論文レビュー] Evidence for Declination Dependence of the Ultrahigh Energy Cosmic Ray Spectrum in the Northern Hemisphere

Rasha Abbasi, T. Abu‐Zayyad+157 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2018

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 15被引用数 15

ひとこと要約

本論文は、北半球における超高エネルギー宇宙線（UHECR）スペクトルが赤緯に依存するカットオフエネルギーを示している強力な証拠を提示している。11年間のTelescope Arrayデータを用いて、この変化は4.3σの有意水準を示しており、これは機器的要因ではなく天体的要因であると結論づけられ、北半球の天体ではより高い最大エネルギーを持つ源、またはより近い距離の源が存在する可能性を示唆している。

ABSTRACT

Telescope Array (TA) is the largest experiment in the Northern Hemisphere studying ultrahigh energy cosmic rays. TA measurements of the cosmic ray spectrum using the surface detector have the best statistical power in the experiment, and observe the ankle of the spectrum and the high energy cutoff. When the data are divided into two declination bands, above and below 24.8 degrees, the cutoff appears at $10^{19.64 \pm 0.04}$ ($10^{19.84 \pm 0.02}$) eV in the lower (higher) band, an energy difference of 58\%. The global significance of the difference is 4.3 standard deviations. The lack of an instrumental cause of this difference implies it is astrophysical in nature.

研究の動機と目的

• 北半球における超高エネルギー宇宙線（UHECR）スペクトルが赤緯に依存するかどうか、特にカットオフエネルギーに依存するかどうかを調査すること。
• Telescope Array（TA）とPierre Auger Observatory（PAO）の実験間で観測されたUHECRスペクトルの差が、機器的要因によるものか、天体的変動によるものかを特定すること。
• UHECRのエネルギーカットオフが天の上にわたって変化するかどうかを評価し、最大エネルギーまたは距離が空間的に異なる源の性質を示唆する可能性を検討すること。
• 観測された赤緯依存性の原因が機器的または系統的要因である可能性を除外すること。
• TAが観測する北半球のスペクトルを、PAOと重複する赤緯帯と比較すること、ここでは以前に一致が確認されていた。

提案手法

• Telescope Array（TA）の表面検出器（SD）から得られた11年間分のデータを分析し、異なる赤緯帯におけるUHECRエネルギースペクトルを測定した。
• データを2つの赤緯領域に分割した：$\tilde{\delta} < 24.8^\circ$ および $\nolim{\tilde{\delta}} > 24.8^\circ$、ここで $\tilde{\delta}$ は地球の自転と観測幾何学を考慮した修正赤緯である。
• TAとPAOのスペクトルのアンクル領域を一致させるためにエネルギースケールの補正を施し、実験間比較を可能にした。
• 2つの赤緯領域間のカットオフエネルギーの差を評価するための統計的有意水準検定（4.3σ）を実施した。
• 観測された赤緯依存性を模倣する可能性のある機器的または系統的要因を包括的に調査した。
• TA-Auger共同作業部会の結果を基準として用い、共通の赤緯帯におけるカットオフエネルギーの一致がエネルギースケール補正の妥当性を裏付けていることを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 北半球における超高エネルギー宇宙線スペクトルは、赤緯に依存するか？
• RQ2 高赤緯と低赤緯領域間で観測されたUHECRカットオフエネルギーの差は、天体的源由来か、機器的要因由来か？
• RQ3 北半球のUHECRスペクトルは、Pierre Auger Observatoryと重複する赤緯帯におけるスペクトルとどのように比較できるか？
• RQ4 赤緯依存性は、源の最大エネルギーまたは距離の変動によって説明可能か？
• RQ5 観測されたカットオフエネルギー差の4.3σの有意水準は、天体的起源と一貫しているか？

主な発見

• Telescope Array実験では、24.8°を超える赤緯におけるUHECRスペクトルのカットオフエネルギーが、低赤緯領域よりも高いことが判明し、全体的な有意水準は4.3標準偏差であった。
• TAとPAOの共通する赤緯帯におけるスペクトルは、エネルギースケール補正後、カットオフエネルギーで一致しており、補正の妥当性を支持している。
• 観測された赤緯依存性を説明できる機器的または系統的要因は同定されず、この効果は天体的であると結論づけられた。
• 赤緯依存のカットオフは、北半球の源が他の地域の源よりも高い最大エネルギーを持つか、または地球に近い可能性を示唆している。
• この結果は、南半球におけるPierre Auger Observatoryの赤緯に依存しないスペクトルの結果と対照的であり、UHECR源集団に非対称性が存在する可能性を示唆している。
• 本研究は、UHECRスペクトルの高エネルギー行動が等方的でないことを強く示しており、均一な源分布または最大エネルギーの仮定に挑戦している。