[论文解读] Studies of clustering in the arrival directions of cosmic rays detected at the Pierre Auger Observatory above 10 EeV

Silvia Mollerach|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2007

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 16

一句话总结

本研究利用自相关函数分析皮埃尔·阿杰尔天文台在10 EeV以上能量的超高能宇宙射线到达方向，以搜寻可能指示附近源或磁场效应的团聚信号。尽管在19个最高能事件中于7°处出现一个边缘显著的信号（p = 10⁻⁴），但整体团聚显著性仍较低（p ≈ 2%），且当前统计量不足以强有力支持该结果，表明尚无确凿证据显示存在超出随机涨落的各向异性。

ABSTRACT

If clustering of the arrival directions of ultra high energy cosmic rays is discovered, this would provide important information about their origin, composition, and the galactic and extragalactic magnetic fields. We present here the analysis of the autocorrelation function of the data from the Pierre Auger Observatory as a function of the angular scale and the energy threshold. We compare our results with the signals found by previous experiments.

研究动机与目标

• 研究超高能宇宙射线到达方向的团聚性，以探测源的接近程度、成分及磁场效应。
• 利用阿杰尔数据检验AGASA在>40 EeV能量下报告的2.5°小尺度团聚性信号。
• 评估由多个实验联合数据提出的中等尺度团聚性信号（例如~25°）。
• 通过能量阈值和角尺度的扫描，量化团聚性信号的显著性，同时考虑多重检验问题。
• 评估在统计不确定性与探测效应下，观测到的团聚性是否可能由各向同性通量的随机涨落引起。

提出的方法

• 计算10 EeV以上宇宙射线事件的自相关函数，统计角距离为θ的事件对数量。
• 通过各向同性事件分布的蒙特卡洛模拟，估计预期事件对数量，并为每个角尺度构建95%置信带。
• 对能量阈值（10至57.5 EeV）和角尺度（最高30°）进行扫描，以识别潜在团聚区域。
• 对每个(θ, E)组合，计算p值，即在各向同性模拟中比观测值拥有更多事件对的比例，得到P_min。
• 通过将观测到的P_min与10⁵次各向同性模拟的结果比较，评估整体显著性，估算此类信号由偶然性引起的概率。
• 改变能量阈值和角尺度，以检验结果的稳健性，并避免因数据驱动选择参数而引入偏差。

实验结果

研究问题

• RQ1 在与附近源相关的角尺度上，10 EeV以上宇宙射线到达方向是否存在团聚性证据？
• RQ2 阿杰尔数据是否支持AGASA在>40 EeV能量下报告的2.5°小尺度团聚性信号？
• RQ3 是否存在与附近源大尺度分布一致的中等尺度团聚性信号（例如~25°）的迹象？
• RQ4 任何观测到的团聚性信号由各向同性通量引起的概率是多少，考虑统计不确定性？
• RQ5 在考虑多重检验的情况下，团聚性显著性如何随能量阈值和角尺度变化？

主要发现

• 在>40 EeV事件中未观测到2.5°处的强团聚性信号；观测到2对，而各向同性下预期为1.5对，该过剩由偶然性引起的概率为5%。
• 在19个最高能事件（E > 57.5 EeV）中，7°处出现一个边缘显著的团聚性信号，观测到8对，而预期仅1对，p值为10⁻⁴。
• 在所有(θ, E)组合中，最显著团聚性信号的整体显著性为p ≈ 2%，表明其仅边缘显著，可能由偶然性引起。
• 7°处的信号在10 EeV以上全部1672个事件样本中未被确认，表明其由最高能子样本驱动。
• 观测到的中等尺度团聚性（例如~25°）弱于其他实验联合数据报告的结果，且在当前统计量下不具备统计稳健性。
• 未来阿杰尔数据将用于检验7°处的边缘信号及中等尺度团聚性是否真实，或仅为统计涨落。