[논문 리뷰] Sky-maps of the sidereal anisotropy of galactic cosmic ray intensity and its energy dependence

K. Munakata, Naoki Matsumoto외 7명|ArXiv.org|2008. 11. 04.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 일본과 호주에 위치한 지하 뮤온 탐지기 네트워크인 두 반구 네트워크(THN)의 데이터를 사용하여 은하계 우주선 강도의 시시각각 비균일성에 대한 하늘 맵을 제시한다(각각 1985–2006년과 1993–2005년). 이는 10배의 차이가 나는 1차원 우주선 에너지(0.5 TeV 대비 5 TeV)에도 불구하고, 비균일성 패턴이 티베트 III 데이터와 일치함을 확인하며, 태양 조절에 의해 비균일성 진폭이 감소하고, 하중성 의존성이 하중성 에너지에서 다중 테바르 에너지까지 부드럽게 연장됨을 보여준다.

ABSTRACT

We analyze the sidereal daily variations observed between 1985 and 2006 at Matsushiro, Japan (MAT) and between 1993 and 2005 at Liapootah, Tasmania (LPT). These stations comprise the two hemisphere network (THN) of underground muon detectors in Japan and Australia. Yearly mean harmonic vectors at MAT and LPT are more or less stable without any significant change in phase and amplitude in correlation with either the solar activity- or magnetic-cycles. In this paper, therefore, we analyze the average anisotropy over the entire observation periods, i.e. 1985-2006 for MAT and 1993-2005 for LPT. We apply to the THN data a best-fitting analysis based on a model anisotropy in space identical to that adopted by Amenomori et al. (2007) for Tibet III data. The median energies of primary cosmic rays recorded are ~0.5 TeV for THN and ~5 TeV for the Tibet III experiment. It is shown that the intensity distribution of the best-fit anisotropy is quite similar to that derived from Tibet III data, regardless of the order of magnitude difference in energies of primary particles. This, together with the THN observations, confirms that the analysis by Amenomori et al. (2007) based on the Tibet III experiment in the northern hemisphere is not seriously biased. The best-fit amplitudes of the anisotropy, on the other hand, are only one third or less of those reported by the Tibet III experiment, indicating attenuation due to solar modulation. The rigidity dependence of the anisotropy amplitude in the sub-TeV region is consistent with the spectrum reported by Hall et al. (1999), smoothly extending to the Tibet III result in the multi-TeV region. The amplitude at higher energies appears almost constant or gradually decreasing with increasing rigidity.

연구 동기 및 목표

• 일본과 호주의 지하 뮤온 탐지기 데이터를 사용하여 장기적인 시시각간 비균일성을 분석한다.
• 태양 주기 및 자석 주기 동안 비균일성 위상과 진폭의 안정성을 평가한다.
• 다양한 에너지 영역에서 두 반구 네트워크(THN)와 티베트 III 실험 간의 비균일성 패턴과 진폭을 비교한다.
• 비균일성 진폭의 에너지(하중성) 의존성과 이전 측정치와의 일관성을 조사한다.

제안 방법

• 마츠시로(MAT) 및 리아푸타(ЛПТ) 지점에서의 연간 평균 일일 변화에 대한 조화 분석.
• 아메노모리 외(2007)의 티베트 III 데이터에 사용된 것과 동일한 모델 비균일성 구조를 THN 관측치에 적용.
• 하늘에 대한 이배도형 강도 분포를 가정하는 공간 모델을 사용한 비균일성에 대한 최적 적합 분석.
• THN(중간 에너지 ~0.5 TeV)과 티베트 III(~5 TeV) 간의 비균일성 진폭과 방향을 비교하여 에너지 의존성을 평가.
• 하중성 의존성을 평가하기 위해 하루 등(1999)의 하중성 에너지 범위 결과와 비교하고, 다중 테바르 에너지 영역으로 확장.
• THN의 낮은 에너지 임계값을 고려하여, 절대 진폭 비교를 통한 태양 조절 효과 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은하계 우주선의 시시각간 비균일성 패턴은 서로 다른 에너지 범위에서 북반구와 남반구 간에 일관된가?
• RQ2 비균일성 진폭은 우주선 하중성에 따라 어떻게 변화하며, 이 변화는 하중성 에너지에서 다중 테바르 에너지까지 연속적인가?
• RQ3 THN와 티베트 III 간의 비교에 기반해 관측된 비균일성 진폭이 태양 조절로 얼마나 감소하는가?
• RQ4 태양 주기 및 자석 주기 동안 비균일성 위상과 진폭의 장기적 안정성이 조화 적합 방법의 신뢰성에 기여하는가?
• RQ5 낮은 에너지의 THN 데이터에서 유도된 비균일성 패턴이 티베트 III 결과와의 일관성에 기반해 고에너지 영역으로 신뢰성 있게 외삽 가능한가?

주요 결과

• THN 데이터에서 유도된 최적 적합 비균일성 하늘 맵은 중간 1차원 우주선 에너지(~0.5 TeV 대비 ~5 TeV)의 10배 차이에도 불구하고, 티베트 III 실험에서 유도된 패턴과 거의 동일한 공간 패턴을 보인다.
• THN에서 관측된 비균일성 진폭은 티베트 III에서 보고된 값의 1/3 이하로 나타나, 태양 조절 효과로 인한 상당한 감쇠가 있음을 시사한다.
• 하중성 에너지 범위에서 비균일성 진폭의 하중성 의존성은 하루 등(1999)의 결과와 일치하며, 티베트 III가 관측한 다중 테바르 영역으로 부드럽게 연장된다.
• 고에너지 영역에서 하중성이 증가함에 따라 비균일성 진폭은 거의 일정하거나 점진적으로 감소함을 보여, 다중 테바르 영역에서 약하거나 평탄한 하중성 의존성이 있음을 시사한다.
• 관측 기간 동안(1985–2006년 및 1993–2005년) 비균일성 위상과 진폭의 안정성이 태양 활동 또는 자석 주기로 인한 장기적 변동이 결과에 심각한 편향을 주지 않음을 확인한다.
• 매우 다른 에너지 임계값을 가진 THN와 티베트 III 결과 간의 일관성은 비균일성 분석의 강건성을 입증하며, 티베트 III 결과에 중대한 시스템적 편향이 없음을 배제한다.