[論文レビュー] Is Cen A surrounded by tens EeV Multiplet?

Daniele Fargion|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2011

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 8被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、20エクサエレクトロン・エレクトロン・ボルト（EeV）程度のエネルギーを持つ超高エネルギー宇宙線（UHECR）の複数体が、ヘリウムに似た軽い原子核の崩壊生成物として、ケンタウルス・A（Cen A）領域の周囲に存在すると提案している。このモデルは、観測された高エネルギー事象および複数体のクラスタリングと整合性があり、事前確率が約3×10⁻⁵という非常に低い値であるため、UHECRの起源が軽い原子核由来であることを支持し、非等方性、組成、GZKカットオフの観測との矛盾を解消する解決策を提示する。

ABSTRACT

Ultra High Energy Cosmic Rays (UHECR) at GZK cut off energy (E \geq 55 EeV eV) may keep sharp or diffused directionality wherever their composition is made by nucleon or light nuclei. AUGER UHECR (2007-2010) did show a mild clustering mainly around Cen A. Two over three of the recent discovered AUGER multiplet (a dozen of events each) tail clustering at twenty EeV are pointing to primary sources very near the same UHECR crowded Cen A region. The Tens EeV tail is aligned with the same UHECR events. We foresaw such possibility as fragment tails of lightest UHECR nuclei. We discuss the relevance of this correlation within a model where UHECR are mostly lightest He like nuclei. UHECR fragment multiplet clustering aligned along higher Cen A events (at 55 EeV energy) probe and reinforce our interpretation with an a priori probability near 3 part over a hundred thousand.

研究の動機と目的

• 5.5×10¹⁹ eV以上のエネルギーで観測されたCen A方向へのUHECR事象および複数体のクラスタリングを説明すること。
• UHECRの非等方性、組成、GZKカットオフの観測との矛盾を、UHECRが軽い原子核（ヘリウムに似た）由来であると仮定することで解消すること。
• バービオ銀河団方向へのUHECR事象の欠如およびCen Aとの複数体の整列を、光分解反応および磁場効果によって説明すること。
• UHECR断片、ガンマ線、ニュートリノが二次的信号として相関を示し、それらを用いて一次的源を特定できるかを検証する仮説を検証すること。

提案手法

• 20エクサエレクトロン・エレクトロン・ボルト（EeV）前後でのエネルギーで、光分解反応によって軽い原子核（例えば、ドーパー、陽子、中性子）に分裂するヘリウムに似た軽い原子核（He-like）を一次粒子としてUHECRの伝播をモデル化すること。
• 二項確率を用いて、3つの複数体源のうち2つがCen Aの周囲7.7°の半径内に位置する確率を推定し、P(3,2) ≈ 3×10⁻⁵が得られたこと。
• UHECR事象、複数体、多波長マップ（電波、赤外、ガンマ線、Comptel）間の角度相関を分析し、空間的および方向的整列を特定すること。
• 銀河磁場がUHECRの軌道を一様に曲げたりランダムに歪めたりする役割を評価し、軽い原子核は重い原子核よりも歪みが小さいことを示すこと。
• 軽い原子核から予測される二次スペクトル（ガンマ線、ニュートリノ）を、観測されたUHECRマップおよびマルチメッセンジャー観測データと比較すること。
• HIRESおよびTelescope Arrayによる大気シャワーの深さ測定結果を用いてUHECRの組成を制約し、ヘリウムに似た原子核が最も適切であると結論すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Cen A近辺で約20エクサエレクトロン・エレクトロン・ボルト（EeV）のUHECR複数体のクラスタリングは、ヘリウムのような軽い原子核の崩壊によって説明可能か？
• RQ2 Cen A周辺の高エネルギーUHECR事象とその断片複数体との整列の統計的有意性は何か？
• RQ3 UHECRが軽い原子核（ヘリウムに似た）由来であるという仮定は、UHECRの非等方性、組成、GZKカットオフの観測との矛盾をどのように解消するか？
• RQ4 銀河平面に沿う磁場効果が、観測されたUHECRおよびその断片の方向的広がりにどの程度寄与しているか？
• RQ5 UHECRの崩壊から生じる二次的ガンマ線およびニュートリノは、UHECRの真の起源および組成を特定する手がかりとして有効か？

主な発見

• 3つのUHECR複数体源のうち2つがCen Aの周囲7.7°の半径内に位置する確率は約3×10⁻⁵であり、これは非常に有意な相関を示している。
• 観測された二重複数体の尾構造は、主なCen AのUHECR事象列と±0.1ラジアン以内に整列しており、軽い原子核の崩壊由来の一体的起源を支持している。
• ヘリウムのような軽い原子核は、主なエネルギーの約半分のエネルギー（例：約10 EeV）で断片を生成し、それらは主な事象と整列しており、観測された複数体クラスタリングを説明できる。
• このモデルは、バービオ銀河団方向へのUHECR事象の欠如および高密度の銀河赤道領域での事象の部分的抑制を説明でき、銀河的成分または磁場効果を示唆している。
• HIRESおよびTelescope ArrayのUHECR組成データへの最も良いフィットはヘリウムに似た原子核によって達成され、軽い原子核モデルを支持している。
• 今後のUHECRマップ（2–4×10⁴ EeV）では、主な事象と整列した追加の断片クラスタリングが観測され、さらなる妥当性の確認が得られるだろう。