[論文レビュー] Search for correlations between arrival directions of ultrahigh-energy cosmic rays detected by the Telescope Array experiment and a flux pattern from nearby starburst galaxies

Rasha Abbasi, Mitsuru Abe+138 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2018

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、ピエール・オーギュール共同研究の先行研究から得られた固定パラメータを用いて、テレスコープ・アレイ実験で観測された超高エネルギー宇宙線が、近隣の星形成銀河からの放射束のパターンと相関するかどうかを検証する。結果は、等方性からのずれが顕著でない（等方性からの1.1σ）こと、オーギュールの結果（1.4σの差異）と整合的であることを示しており、TAデータにおいて等方性とSBG相関仮説の間で統計的に差をつけることができないことを示している。

ABSTRACT

The Pierre Auger Collaboration (Auger) recently reported a correlation between the arrival directions of cosmic rays with energies above 39 EeV and the flux pattern of 23 nearby starburst galaxies (SBGs). In this Letter, we tested the same hypothesis using cosmic rays detected by the Telescope Array experiment (TA) in the 9-year period from May 2008 to May 2017. Unlike the Auger analysis, we did not optimize the parameter values but kept them fixed to the best-fit values found by Auger, namely 9.7% for the anisotropic fraction of cosmic rays assumed to originate from the SBGs in the list and 12.9° for the angular scale of the correlations. The energy threshold we adopted is 43 EeV, corresponding to 39 EeV in Auger when taking into account the energy-scale difference between two experiments. We find that the TA data is compatible with isotropy to within 1.1{\sigma} and with the Auger result to within 1.4{\sigma}, meaning that it is not capable to discriminate between these two hypotheses.

研究の動機と目的

• テレスコープ・アレイ実験で検出された超高エネルギー宇宙線が、近隣の星形成銀河の放射束パターンと方向的に相関するかどうかを調査すること。
• ピエール・オーギュール共同研究の先行分析から得られた固定パラメータを用いて、43 EeVを超える宇宙線の一部が星形成銀河から起因するという仮説を検証すること。
• テレスコープ・アレイデータが、等方性とSBG由来の非等方性仮説の間で区別できるかどうかを評価すること。
• エネルギースケールの違いを考慮した上で、テレスコープ・アレイの結果がピエール・オーギュール共同研究が報告した39 EeVでの相関とどの程度整合するかを評価すること。
• オーギュールから得られた固定された角度スケールと非等方的割合を用いて、観測データが提示された相関を支持するか、あるいは否定するかを判断すること。

提案手法

• 星形成銀河由来の宇宙線に対して、ピエール・オーギュール共同研究が決定した9.7%の非等方的割合と12.9°の角度スケールを同じく採用した。
• 2008年5月から2017年5月までのテレスコープ・アレイデータを用い、エネルギーが43 EeVを超える宇宙線に焦点を当て、オーギュール分析で用いられた39 EeVの閾値に合わせて調整した。
• 23個の近隣星形成銀河の空間的放射束パターンと、宇宙線の到達方向との間で方向相関テストを実施した。
• 等方性からのずれの有意水準を計算し、共通の統計枠組みを用いてオーギュールの結果と直接比較した。
• 最適化を避けるためにモデルパラメータを固定し、元のオーギュール分析との直接比較を保証した。
• 等方性からの観測相関の統計的有意水準（1.1σ）と、オーギュールの結果からの有意水準（1.4σ）をそれぞれ計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 テレスコープ・アレイで検出された超高エネルギー宇宙線の到達方向と、近隣星形成銀河の放射束パターンとの間に顕著な相関があるか？
• RQ2 同じモデルパラメータを用いて、テレスコープ・アレイデータはピエール・オーギュール共同研究が提唱した非等方性仮説を支持するか？
• RQ3 テレスコープ・アレイデータにおける観測相関の等方性からの統計的有意水準は何か？
• RQ4 同じモデルパラメータを用いた場合、テレスコープ・アレイの結果はオーギュールの結果とどの程度整合するか？
• RQ5 テレスコープ・アレイデータは、等方性と星形成銀河由来の非等方性仮説の間で区別できるか？

主な発見

• テレスコープ・アレイデータは、等方性からの顕著なずれを示さず、等方性からの有意水準は1.1σであった。
• テレスコープ・アレイデータにおける観測相関は、ピエール・オーギュール共同研究の結果と整合的であり、差はわずか1.4σであった。
• データは、星形成銀河由来の非等方性仮説を等方性仮説よりも支持する証拠を提供していない。
• オーギュール分析から得られた固定モデルパラメータ（9.7%の非等方的割合、12.9°の角度スケール）を再最適化せずに適用し、直接比較可能な状態を維持した。
• テレスコープ・アレイデータでは、等方性仮説とSBG相関仮説の間で統計的区別がつかない。
• 結果は、テレスコープ・アレイ実験がピエール・オーギュール共同研究が報告した非等方性信号を確認していないこと、また顕著な水準で矛盾していないことを示している。