[論文レビュー] Measurement of the Cosmic Ray Energy Spectrum with ARGO-YBJ

G. Di Sciascio, For The ARGO-YBJ Collaboration|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2014

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、チベットの標高4300mに位置するARGO-YBJ実験を用いて、デジタルおよびアナログ読み出し技術と、WFCTA望遠鏡を用いたハイブリッド測定を組み合わせ、宇宙線エネルギー分光関数の高分解能測定を提示する。陽子＋ヘリウムからなる軽い成分の分光関数において、約650 TeVで明確な膝に似た構造が観測され、スペクトル指数は-2.61±0.04である。これはCREAMの直接測定と整合的であり、膝領域近辺でスペクトルが硬くなる傾向を示している。

ABSTRACT

The ARGO-YBJ detector, located at high altitude in the Cosmic Ray Observatory of Yangbajing in Tibet (4300 m asl, about 600 g/cm2 of atmospheric depth) provides the opportunity to study, with unprecedented resolution, the cosmic ray physics in the primary energy region between 10^{12} and 10^{16} eV. The preliminary results of the measurement of all-particle and light-component (i.e. protons and helium) energy spectra between approximately 5 TeV and 5 PeV are reported and discussed. The study of such energy region is particularly interesting because not only it allows a better understanding of the so called 'knee' of the energy spectrum and of its origin, but also provides a powerful cross-check among very different experimental techniques. The comparison between direct measurements by balloons/satellites and the results by surface detectors, implying the knowledge of shower development in the atmosphere, also allows to test the hadronic interaction models currently used for understanding particle and cosmic ray physics up the highest energies.

研究の動機と目的

• 5–200 TeVおよび100 TeV–10 PeVのエネルギー範囲で、全粒子および軽い成分（p+He）の宇宙線エネルギー分光関数を高分解能で測定すること。
• 地上での広大な空気シャワー（EAS）測定と高圧バルーン・人工衛星による直接測定を比較することで、ハドロン相互作用モデルを検証すること。
• 長年の疑問であった膝領域における成分の組成の不確実性を、異なる実験的手法による相互検証によって解消すること。
• 月のシャドー効果を用いたハイブリッド測定を通じて、広大な空気シャワー配列のエネルギースケールを定義すること。

提案手法

• 5–200 TeV範囲のエネルギー再構築に、ストリップ多重度に基づくデジタル読み出しを用いる。
• 100 TeV–10 PeV範囲のシャワーに対して、RPC電荷積分を用いたアナログ読み出しを採用する。
• シャワー核の粒子密度および横方向分布関数から、主粒子エネルギー分光関数を再構築するためにベイズアンフォールディング技術を適用する。
• Cherenkov光の収量と粒子密度を統合することで、エネルギーおよび成分分解能を向上させるために、WFCTAプロトタイプ望遠鏡を用いたハイブリッド測定を実施する。
• 月のシャドー効果を用いて、絶対エネルギースケールを4%の精度で校正する。
• 横方向分布関数の形状と核の粒子密度を用いた質量に敏感な選別基準を適用し、重い核からの汚染が15%未満になるようにp+He成分を分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 軽い成分（p+He）の宇宙線分光関数は約650 TeV付近で膝に似た構造を示すか。そのスペクトル指数はいかほどか？
• RQ2 ARGO-YBJが測定したp+He分光関数は、2.5–250 TeV範囲でCREAM実験の直接測定とどの程度一致するか？
• RQ3 ARGO-YBJの結果は、Tibet ASγ や BASJE などの他の実験が示唆するように、膝領域で重い成分が支配的であるという仮説をどの程度支持するか？
• RQ4 ARGO-YBJとWFCTAをハイブリッドで組み合わせた測定は、PeV領域におけるエネルギー分解能および成分感度をどの程度向上させるか？
• RQ5 現在のハドロン相互作用モデル（例：QGSJET, SIBYLL）は、膝領域における観測された分光関数および成分をどの程度再現できるか？

主な発見

• ARGO-YBJが測定した軽い成分（p+He）エネルギー分光関数のスペクトル指数は、5–200 TeV範囲で-2.61±0.04であり、CREAMのp+He分光関数と非常に良好に一致している。
• p+He分光関数には、約650 TeVで明確な膝に似た構造が観測され、単一のパワーロウのフィットからの有意水準は約6標準偏差に達する。
• ARGO-YBJの結果はCREAMのデータと整合的であり、陽子およびヘリウム分光関数が、従来の低エネルギー測定から推定されたものよりも硬いことが示された。
• ハイブリッドARO-YBJ/WFCTA測定により、系統的不確実性の範囲内で膝構造が確認され、測定範囲がより高エネルギー領域へと拡張された。
• ARGO-YBJが測定した全粒子分光関数（100–3000 TeV範囲）は、既存のパラメトリック表現とよく一致しており、データ選別およびエネルギー再構築手順の妥当性が裏付けられた。
• 解析の結果、膝領域ではp+He成分が支配的ではなく、250 TeVにおける組成比はJp : JHe : JCNO ≈ 0.20 : 0.58 : 0.22であり、重い核からの寄与が顕著であることが示された。