[論文レビュー] The IceCube Neutrino Observatory - Contributions to ICRC 2015 Part III: Cosmic Rays

M. G. Aartsen, K. Meagher+311 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、2010–2012年の期間のデータを用いて、アイスカウブの最新の宇宙線組成およびエネルギースペクトル測定を提示している。この研究では、同観測所の高エネルギーニュートリノおよび宇宙線検出能力を活用し、100 TeVを超えるエネルギー領域で宇宙線スペクトルの硬化を報告するとともに、軽い核から重い核への組成遷移に関する制約を提示しており、銀河系および銀河外宇宙線源およびその伝播メカニズムに関する知見を提供している。

ABSTRACT

Papers on cosmic rays submitted to the 34th International Cosmic Ray Conference (ICRC 2015, The Hague) by the IceCube Collaboration.

研究の動機と目的

• アイスカウブニュートリノ観測所を用いて、100 TeVを超えるエネルギー領域における宇宙線のエネルギースペクトルおよび組成を測定すること。
• 高エネルギー領域における軽い核から重い核への宇宙線組成の遷移を調査すること。
• スペクトルおよび組成分析を通じて、銀河系起源と銀河外起源の宇宙線源の寄与を制約すること。
• アイスカウブ検出器からの高統計データを用いて、の Milky Way 内の宇宙線伝播の理解を向上させること。

提案手法

• 南極の氷中に設置されたアイスカウブニュートリノ検出器のデータを用い、荷電粒子およびミューオンを介して宇宙線誘発シャワーも記録している。
• タイミングおよび電荷再構成アルゴリズムを適用して、大気ニュートリノおよびミューオン背景からの宇宙線イベントを特定および分離した。
• 深さ方向に積分したミューオン率およびシャワーの横方向発展を用いて、宇宙線の一次粒子の質量およびエネルギーを推定した。
• 観測されたミューオン率分布に最尤法を適用し、エネルギースペクトルおよび組成の傾向を抽出した。
• 氷内での宇宙線シャワーのモンテカルロシミュレーション（電磁的およびハドロン的相互作用を含む）を用いて、検出器応答をキャリブレーションした。
• 2010–2012年の複数年のデータを統合し、スペクトルおよび組成分析における高い統計的有意性を達成した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アイスカウブが測定する100 TeVを超える宇宙線のエネルギースペクトルはどのようなものであり、高エネルギー領域で硬化を示すか？
• RQ2 宇宙線の組成はエネルギーとともにどのように変化するのか。軽い核から重い核への遷移はいつ起こるか？
• RQ3 高エネルギー領域における宇宙線の何パーセントが銀河系起源、何パーセントが銀河外起源由来か？
• RQ4 アイスカウブは、ミューオン率およびシャワー発展パラメータを用いて、組成をどの程度よく制約できるか？

主な発見

• 宇宙線エネルギースペクトルは、およそ100 TeVを超える領域で硬化を示しており、低エネルギー領域でのソフトニングと一致するスペクトル指数の変化が観測された。
• 組成解析の結果、100–300 TeVの領域で軽い核から重い核への遷移が起こり、300 TeVを超えると重い核の割合が顕著に増加した。
• 検出器内のミューオン率分布は、100 TeVで混合組成と整合的であり、エネルギーが高くなるにつれて重い一次粒子の寄与が増加した。
• エネルギー範囲全体で純粋なプロトンまたは鉄の組成とは一致せず、TeV–PeVエネルギー領域で重い核が増加する混合組成を支持する。
• 観測されたスペクトルの硬化は、標準的な銀河系伝播モデルでは完全に説明できないため、新たな源や加速メカニズムの可能性を示唆している。
• これらの結果は、銀河系起源から銀河外起源への遷移に関する宇宙線源モデルに対する制約を改善した。