[論文レビュー] The Pierre Auger Observatory - a new stage in the study of the ultra-high energy cosmic rays

S. Vorobiov|arXiv (Cornell University)|Nov 5, 2008

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 22被引用数 3

ひとこと要約

ピエール・オーガー観測所は、10^17 eVを超える超高エネルギー宇宙線（UHECR）を研究するために、蛍光望遠鏡と地上の水チェレンコフ検出器を組み合わせたハイブリッド検出システムを用いる。4×10^19 eVを超えるエネルギー領域で宇宙線フラックスの急激な低下が観測され、近くの活動銀河核（AGN）と相関する到達方向の非一様性が示され、これは宇宙線の銀河間起源と、混合成分を伴う標準的な天体物理学的加速モデルを支持する。

ABSTRACT

This paper presents the highlights from the recent measurements of the energy spectrum, mass composition, and arrival directions of the ultra-high energy ($> 10^{17}$ eV = 0.1 EeV) cosmic rays (UHECR) by the Pierre Auger Observatory. The Auger hybrid detector combines fluorescence observations of the longitudinal profiles of extended air showers, initiated by these extremely energetic particles, with measures of the shower secondaries at the ground level by its large array of Cherenkov water tanks. The complementariness of the two techniques provides important cross-checks at the energies unreachable with accelerator experiments. The Pierre Auger experiment has observed a strong steepening of the cosmic ray flux above 40 EeV. A significant anisotropy in the arrival directions of cosmic rays has been established for events above $\simeq 60$ EeV. These events correlate over angular scales of less than 6$^\circ$ with the directions towards nearby ($D < 100$ Mpc) active galactic nuclei. Both observations are consistent with the standard scenarios of the UHECR production in the extragalactic astrophysical acceleration sites. The derived stringent upper limits on the photon and neutrino contents in the UHECR are additional important arguments in support of these scenarios. The measurements of the variation of the depth of shower maximum with energy, interpreted with the current hadronic interaction models, favour the mixed cosmic ray composition at energies above 0.4 EeV. We describe the plans and prospects for the future, that will further help to solve the 50 years old UHECR puzzle.

研究の動機と目的

• 50年以上にわたる超高エネルギー宇宙線（UHECR）の起源と成分の謎を解明すること。
• 天体物理学的加速モデルと光子やニュートリノを含む「トップダウン」的シナリオを区別すること。
• UHECRのエネルギースペクトル、成分質量、到達方向分布を高精度で測定すること。
• 銀河系内から銀河間宇宙線への遷移領域を調査するため、10^17–5×10^18 eVの低エネルギー領域への検出能力を拡張すること。
• 将来の観測所拡張、特にオーガー・ノースとAMIGAを計画し、感度の向上と全天カバーを実現すること。

提案手法

• 大型の水チェレンコフ検出器アレイを用いた地上測定と、縦方向のシャワー断面構造を蛍光検出する手法を統合する。
• ハイブリッド検出を用いてエネルギーと成分の推定を相互に検証し、ハドロン相互作用モデルへの依存度を低減する。
• 10%の稼働率を有する蛍光検出法を用い、シャワー発展の詳細に依存しないキャロリメトリックなエネルギー測定を実現する。
• 10^17–5×10^18 eVのエネルギー領域で成分質量の決定を向上させるために、ミューオンカウンタを備えた密度の高い地上検出器アレイ（AMIGA）を導入する。
• 10–100 MHz帯の電波検出技術を統合し、100%の稼働率を実現し、SDおよびFD手法と補完的役割を果たす。
• 20,740 km²の北半球オーガー観測所を計画し、4,000台の地上検出器と40–50台の蛍光望遠鏡を設置することで、カバー範囲と統計的精度を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 10^17 eVを超える超高エネルギー宇宙線の起源は何か？
• RQ2 約5×10^19 eVで観測されたフラックス抑制は、CMBとの相互作用によるパイオン生成に起因するGZKカットオフと整合的か？
• RQ3 UHECRの到達方向に非一様性は認められ、近くの活動銀河核（AGN）と相関しているか？
• RQ4 4×10^17 eVを超えるエネルギー領域におけるUHECRの成分質量は何か？エネルギーに応じてどのように変化するか？
• RQ5 電波検出技術は、UHECRシャワー再構築のための実用的で高稼働率の代替手法として有効か？

主な発見

• 4×10^19 eVを超える領域で、GZKカットオフと整合的な急激な宇宙線フラックスの低下が観測された。
• 約6×10^19 eVを超えるイベントに対して、到達方向に顕著な非一様性が確認され、100 Mpc未満の近距離（D < 100 Mpc）の活動銀河核（AGN）と、6°未満の角度スケールで相関していた。
• シャワー最大深さがエネルギーに伴い増加する傾向を示し、現在のハドロン相互作用モデルを用いた解釈では、4×10^17 eVを超えるエネルギー領域で混合成分の宇宙線が支持される。
• UHECR中の光子およびニュートリノ含有量に対する厳密な上限が測定され、『トップダウン』モデルよりも天体物理学的加速シナリオが支持された。
• オーガー・ノースプロジェクトは、20,740 km²のアレイと40–50台の蛍光望遠鏡を備えた計画であり、統計的精度の向上と荷電粒子天文学の実現を目的としている。
• AMIGAは、85組の水チェレンコフ検出器とミューオン検出器を備えた密度の高いアレイであり、10^17–5×10^18 eVのエネルギー範囲で成分質量の決定精度を向上させる。