[論文レビュー] Ultra-high Energy Air Showers Observed by ANITA-IV

P. W. Gorham, Andrew Ludwig+58 more|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2020

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

ANITA-IVは2016年の高圧気球飛行中に29件の宇宙線に類似したイベントを観測した。そのうち4件は地平線下のイベントで、通常の氷による反射から予想される位相反転信号とは異なり、非反転波形極性を示した。これは背景からのずれが3.2σに相当し、従来の宇宙線誘発信号とは一致しない。同様の急勾配で上昇するイベントが観測されないことは、従来の宇宙線由来の信号を排除し、これらの異常は未知の、おそらくエキゾチックな起源である可能性を示唆している。

ABSTRACT

ANITA's fourth long-duration balloon flight in late 2016 detected 29 cosmic-ray (CR)-like events on a background of $0.37^{+0.27}_{-0.17}$ anthropogenic events. CRs are mainly seen in reflection off the Antarctic ice sheets, creating a characteristic phase-inverted waveform polarity. However, four of the below-horizon CR-like events show anomalous non-inverted polarity, a $\sim 3.2\sigma$ fluctuation if due to background. All anomalous events are from locations near the horizon; ANITA-IV observed no steeply-upcoming anomalous events similar to the two such events seen in prior flights.

研究の動機と目的

• 2016年の長時間飛行気球ミッション中にANITA-IVが検出した超高エネルギー空気シャワーイベントを特定・特徴付けること。
• 従来の宇宙線誘発イベントと、予期せぬ波形極性を示す異常イベントを区別すること。
• 観測された異常が背景の揺らぎに起因するのか、それとも標準の宇宙線相互作用を超える新しい物理現象を示唆するのかを調査すること。
• 特に過去のANITAミッションと比較して、地平線下での非反転極性イベントの有意性を評価すること。

提案手法

• 南極上空を飛行する長時間気球ミッション中にANITA-IVの電波アンテナを用いて超高エネルギー空気シャワーからの電波パルスを検出すること。
• 波形極性の分析により、氷による反射から予想される位相反転信号（期待される）と、非反転信号（異常）を区別すること。
• ANITA-IVと過去のANITAミッションとの間でイベント頻度と方位分布を比較し、背景の期待値からの逸脱を特定すること。
• 背景仮定の下で3.2σの揺らぎ検定を用いて、異常イベントの有意性を統計的に評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地平線下の4件の非反転極性を示すイベントは、南極氷床における既知の宇宙線相互作用と整合的か？
• RQ2 背景由来とみなした場合、観測された非反転極性イベントの統計的有意性はいかほどか？
• RQ3 なぜANITA-IVでは、過去のANITAミッションで報告されたように急勾配で上昇する異常イベントが観測されなかったのか？
• RQ4 観測された異常は、標準の宇宙線シャワーモデルに含まれない新しい物理現象を示唆する可能性があるか？

主な発見

• ANITA-IVは2016年の飛行中に29件の宇宙線に類似したイベントを検出。背景推定値は0.37+0.27/-0.17件の人工的要因由来イベント。
• 地平線下の宇宙線に類似したイベントのうち4件が、標準の氷反射モデルとは整合しない異常な非反転極性を示した。
• 背景の揺らぎに起因する場合、極性の異常は約3.2σの有意性を示しており、顕著なずれである。
• ANITA-IVでは急勾配で上昇する異常イベントは観測されず、過去のANITAミッションで報告された2件とは対照的であった。
• 観測されたイベントは地平線付近に局在しており、異常には方向的または幾何的偏りがある可能性を示唆している。
• 上向き方向に同様のイベントが観測されないことは、異常な現象が機器の影響や従来の背景源に起因しているとは考えにくく、その原因は物理的要因である可能性が高い。