[論文レビュー] Measurement of the UHECR spectrum above 10 EeV at the Pierre Auger Observatory using showers with zenith angles greater than 60 degrees

P. Facal San Luis|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2007

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、ピエール・オーギュール観測所で傾斜角 >60° の傾斜したシャワーを用いて、10 EeV 以上の超高エネルギー宇宙線（UHECR）スペクトルの初回測定を報告する。ミューオン密度マップの正規化因子 $N_{19}$ をハイブリッド蛍光検出器イベントと照合することで、信頼性の高いエネルギー推定器を確立し、低傾斜角イベントのスペクトルと整合する結果が得られ、高傾斜角シャワーの再構成手法の妥当性が確認された。

ABSTRACT

We report a measurement of the cosmic ray energy spectrum obtained using the inclined events detected with the Pierre Auger Observatory. Showers with zenith angles between 60 and 80 degrees recorded in the period between 1 January 2004 and 28 February 2007 are analysed. Showers are first reconstructed in arrival direction and then fitted to density maps of the muon numbers obtained from 10 EeV simulated proton showers for different arrival directions, in order to obtain the core position and an overall normalisation factor N19 which is used as an energy estimator. The parameter N19 is shown to be correlated with the shower energy measured with the fluorescence technique for a sub-sample of good quality hybrid showers. This correlation, measured with hybrid events, is then used to determine the energy of all the showers.

研究の動機と目的

• 傾斜角 >60° の傾斜した空気シャワーを用いて、10 EeV 以上のUHECRエネルギースペクトルを測定すること。これにより、検出器の露出量と天の川カバーが向上する。
• ミューオン密度マップと $N_{19}$ を用いたエネルギー再構成手法を確立・検証し、頑健な方法とする。
• 高品質なハイブリッドイベントを用いて、$N_{19}$ を直接の蛍光検出器（FD）エネルギー測定と照合し、正確性を保証する。
• 再構成における系統的不確実性、特に電磁気的汚染、角度分解能、FDエネルギースケールの影響を評価する。
• 得られたスペクトルを低傾斜角イベントのスペクトルと比較し、宇宙線の組成および強子相互作用モデルの検証を図る。

提案手法

• 表面検出器タンクでの到着時刻の差を用いて、シャワーの到着方向を再構成する。
• シミュレーションによるミューオン密度マップ（ミューオンマップ）を用い、測定された信号分布にフィットさせ、コア位置および正規化因子 $N_{19}$ を決定する。
• 電磁気的信号成分を差し引いた後、最大尤度法を用いて $N_{19}$ を推定する。$N_{19}$ はシャワーのエネルギーと相関する。
• シャワー最大位置が良好に閉じている38件の高品質ハイブリッドイベントを用いて、$N_{19}$ をFDで測定されたエネルギーと照合する。
• 電磁気的汚染をシミュレーション（AIRES, GEANT4）でモデル化し、傾斜角およびコアからの距離の関数としてその割合をパラメータライズする。
• 高レベルトリガー（T5）を用いて再構成の品質を保証し、アレイ構成と時間の積分により露出量を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 傾斜角 >60° のUHECRシャワーに対して、$N_{19}$ パrameterは信頼性を持ってエネルギー推定器として使用可能か？
• RQ2 ハイブリッドイベントにおける再構成済み $N_{19}$ と直接のFDエネルギー測定値との相関はいかがなものか？
• RQ3 特に電磁気的汚染および角度分解能に起因する、傾斜シャワー再構成における主要な系統的不確実性は何か？
• RQ4 傾斜シャワー（60°–80°）で測定されたスペクトルは、低傾斜角イベントのスペクトルと整合的か？
• RQ5 FDエネルギースケールの系統的不確実性が、$N_{19}$ を用いたエネルギー補正にどの程度伝搬するか？

主な発見

• $N_{19}$ と FD エネルギーの相関は、べき乗則でよく記述され、$N_{19} = 10^{-0.77 \pm 0.06} E_{FD}^{0.96 \pm 0.05}$ と表される。対数-対数空間での線形フィットが有効である。
• 80° 傾斜角における再構成 $N_{19}$ 値の不確実性は、角度再構成誤差により12%に達する。傾斜角が大きくなるに従い増加する。
• ハイブリッドイベントにおけるSDとFDエネルギーのRMS分数偏差は $(20 \pm 3)\%$ であり、統計的および系統的不確実性の合算と整合的である。
• 傾斜角 60°–80° のシャワーのスペクトルは、60° 未満のシャワーで測定されたスペクトルと整合的である。734件のイベントと、統合露出量 1510 km²sr·year を有する。
• 電磁気的信号補正による系統的不確実性は、$\theta < 65^\circ$ では7%、80° では角度不確実性に起因して12%に上昇する。
• 主な系統的不確実性（22%）はFDエネルギースケールに起因する。主な寄与要因は蛍光収率（14%）、検出器キャリブレーション（11%）、再構成（10%）である。