[논문 리뷰] The bending of the proton plus helium flux in primary cosmic rays measured by the ARGO-YBJ experiment in the energy range from 20 TeV to 5 PeV

P. Montini, S. M. Mari|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 03.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 중국 티베트의 ARGO-YBJ 실험에서 확보한 데이터를 바탕으로 20 TeV에서 5 PeV의 에너지 범위에서 양성자와 헬륨의 합성 및 전입자 우주선 에너지 스펙트럼을 제시한다. 쇼워 코어 근처의 횡방향 입자 밀도 측정값에 베이지안 복원 기법을 적용함으로써, 양성자와 헬륨의 스펙트럼은 약 1 PeV에서 뚜렷한 굽힘을 보이며, 이는 이전의 전입자 관측 결과와 일치한다.

ABSTRACT

The measurement of proton plus helium and all-particle energy spectra in the range $20\,$ TeV to $5 \,$PeV and $80 \,$TeV to $5 \,$PeV respectively are presented. Data taken by the ARGO-YBJ detector in the 2010 year have been analyzed. The ARGO-YBJ experiment (Tibet, P. R. China) has been taking data for more than five years by means of a full-coverage array of RPC detectors. The discrimination between showers produced by light and heavy primaries has been performed by looking at the lateral particle density close to the core region. A Bayesian unfolding technique was therefore applied to the measured quantities in order to evaluate the cosmic ray energy spectrum. The proton plus helium spectrum clearly shows a bending at about $1 \,$PeV, while the all-particle spectrum is consistent with previous observations.

연구 동기 및 목표

• 중국 티베트의 ARGO-YBJ 검출기를 사용하여 20 TeV에서 5 PeV의 에너지 범위에서 양성자와 헬륨의 주입 우주선 에너지 스펙트럼을 측정하는 것.
• 에너지가 높은 영역에서 스펙트럼의 경화 또는 굽힘 현상이 발생할 수 있는 경량 주입 우주선(양성자 및 헬륨 핵)의 거동을 조사하는 것.
• 검출기 응답을 보정하기 위해 베이지안 복원 기법을 적용하여 측정된 데이터에서 진짜 우주선 에너지 스펙트럼을 추출하는 것.
• 양성자와 헬륨 스펙트럼을 전입자 스펙트럼과 비교하여 관심 에너지 범위에서 굽힘 또는 경화와 같은 스펙트럼 특징을 평가하는 것.

제안 방법

• 중국 티베트의 ARGO-YBJ 실험에서 5년 이상 운영된 전면적 커버리지의 저항성 판실 (RPC) 검출기 어레이를 사용하였다.
• 쇼워 코어 영역 근처의 횡방향 입자 밀도를 분석하여 경량과 무거운 주입 우주선을 구별하였다.
• 측정된 횡방향 밀도 분포에 대해 베이지안 복원 기법을 적용하여 진짜 우주선 에너지 스펙트럼을 재구성하였다.
• 2010년 동안 확보한 데이터를 분석하여 20 TeV에서 5 PeV의 에너지 범위에서의 양성자와 헬륨 및 전입자 에너지 스펙트럼을 유도하였다.
• 재구성된 스펙트럼을 사용하여 관심 에너지 범위에서 굽힘 또는 경화와 같은 스펙트럼 특징을 식별하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 20 TeV에서 5 PeV의 에너지 범위에서 양성자와 헬륨의 우주선 스펙트럼은 약 1 PeV에서 굽힘 특징을 보이는가?
• RQ2 동일한 에너지 범위에서 양성자와 헬륨 주입 우주선의 스펙트럼 형태는 전입자 스펙트럼과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 베이지안 복원 기법은 횡방향 입자 밀도 측정값에서 재구성된 에너지 스펙트럼의 정확도를 어느 정도 향상시키는가?
• RQ4 관측된 양성자와 헬륨 스펙트럼의 스펙트럼 굽힘 현상은 이전의 전입자 측정 결과와 일치하는가?

주요 결과

• 양성자와 헬륨의 에너지 스펙트럼은 약 1 PeV에서 뚜렷한 굽힘 특징을 보이며, 이는 스펙트럼의 연화 또는 소스 또는 전파 거동의 변화를 시사한다.
• 전입자 에너지 스펙트럼은 이전 관측 결과와 일관되며, 측정 방법의 신뢰성을 검증한다.
• 베이지안 복원 기법은 측정된 횡방향 입자 밀도 분포에서 진짜 에너지 스펙트럼을 성공적으로 재구성하였다.
• 쇼워 코어 근처의 횡방향 입자 밀도를 기반으로 한 경량 및 무거운 주입 우주선의 구별은 스펙트럼 분석에 효과적이었다.
• 20 TeV에서 5 PeV의 범위에서 측정된 양성자와 헬륨 스펙트럼은 경량 우주선 성분에서의 스펙트럼 경화 또는 굽힘에 대한 새로운 증거를 제공한다.