[論文レビュー] Large Scale Cosmic Ray Anisotropy With IceCube

Rasha Abbasi, P. Desiati|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、アイスカイブニュートリノ観測所から得られた43億件の下向きミューオンイベントを用いて、南半球における大規模な宇宙線非一様性の初の2次元スカイマップを提示する。中央エネルギー14 TeVにおける1次調波振幅は$ (6.4 \pm 0.2) \times 10^{-4}$であり、エネルギー依存性が顕著に現れており、12.6 TeVにおける$ 7.3 \pm 0.3 \times 10^{-4}$から126 TeVにおける$ 2.9 \pm 0.6 \times 10^{-4}$へと減少している。

ABSTRACT

We report on a study of the anisotropy in the arrival direction of cosmic rays with a median energy per Cosmic Ray (CR) particle of ~ 14 TeV using data from the IceCube detector. IceCube is a neutrino observatory at the geographical South Pole, when completed it will comprise 80 strings plus 6 additional strings for the low energy array Deep Core. The strings are deployed in the deep ice between 1,450 and 2,450 meters depth, each string containing 60 optical sensors. The data used in this analysis were collected from April 2007 to March 2008 with 22 deployed strings. The data contain ~ 4.3 billion downward going muon events. A two-dimensional skymap is presented with an evidence of 0.06% large scale anisotropy. The energy dependence of this anisotropy at median energies per CR particle of 12 TeV and 126 TeV is also presented in this work. This anisotropy could arise from a number of possible effects; it could further enhance the understanding of the structure of the galactic magnetic field and possible cosmic ray sources.

研究の動機と目的

• アイスカイブのミューオンデータを用いて南天の天の川領域における大規模な宇宙線非一様性を測定すること。
• 12.6 TeVおよび126 TeVの2つの中央エネルギー領域における宇宙線非一様性のエネルギー依存性を調査すること。
• 検出器に起因する非対称性および非一様な時間カバレッジを補正し、真の天体物理学的非一様性を分離すること。
• 観測された非一様性をコンプトン＝ギーティング効果や銀河磁場構造などの理論モデルと比較すること。

提案手法

• 2007年4月から2008年3月にかけて、22本のアイスカイブストリングを用いて収集された43億件の下向きミューオンイベントを用いた。
• 1回の反復を用いた尤度ベースの再構成アルゴリズムを適用し、中央角分解能3°でミューオンの進行方向とエネルギーを特定した。
• 検出器の方位非対称性を補正するため、$ \bar{n}/n_i$ を用いたイベント重みの正規化を実施した。ここで$ \bar{n}$ は各ビンの平均イベントレートを表す。
• 仰角依存のイベントレート変動を補正するため、天の川への均一な露出を維持するための追加正規化を適用した。
• トリガされたセンサー数と仰角に基づいて2つのエネルギー領域にデータを分割し、エネルギー依存性を持つ非一様性解析を可能にした。
• 2次元スカイマップを1次元の赤経分布に投影し、1次調波の正弦関数にフィットさせることで振幅と位相を抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アイスカイブが測定した南天における大規模な宇宙線非一様性の大きさと位相は何か？
• RQ2 10–100 TeVおよび100 TeV–1 PeVのエネルギー範囲において、1次調波非一様性の振幅は宇宙線エネルギーにどのように依存するか？
• RQ3 検出器の幾何学的構造および非一様な時間カバレッジが人工的な非一様性を引き起こす程度はどの程度で、どのように補正されているか？
• RQ4 観測された非一様性は、コンプトン＝ギーティング効果や他の銀河磁場構造を支持するものか？
• RQ5 これまでに測定された北半球の結果と比較して、南半球の非一様性は振幅と位相でどの程度類似しているか？

主な発見

• 南天において、1次調波振幅$ (6.4 \pm 0.2) \times 10^{-4}$および位相$ 66.4^\circ \pm 2.6^\circ$の大きな規模の宇宙線非一様性が観測された。
• 中央エネルギー12.6 TeVにおける非一様性振幅は$ (7.3 \pm 0.3) \times 10^{-4}$と測定され、低エネルギー領域で強く信号が検出された。
• より高い中央エネルギー126 TeVでは、振幅は$ (2.9 \pm 0.6) \times 10^{-4}$に低下し、明確なエネルギー依存性の抑制が示された。
• 振幅-エネルギーの傾向は10–100 TeVの範囲で減少する傾向を示しており、銀河内伝播効果の理論的予測と整合的である。
• 安定性のチェックにより、日/夜および冬/夏のサブランで非一様性振幅の顕著な差は認められず、結果の頑健性が確認された。
• スカイマップにおける過剰領域と欠損領域は、$ |4\sigma| $を上回る有意水準を示しており、観測された非一様性の統計的信頼性が非常に高いことが裏付けられた。