[论文解读] A search for possible anisotropies of cosmic rays with 0.1 < E < 10 EeV in the region of the Galactic Centre

Edivaldo Moura Santos|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2007

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 5

一句话总结

本研究利用皮埃尔·让天文台3.5年的数据（2004–2007年），在0.1至10 EeV能量范围内，搜索银河系中心附近的宇宙射线各向异性的迹象。研究采用Li-Ma显著性检验与高斯/顶帽窗口函数，评估点源和扩展源的可能过剩，未发现显著过剩，并设定了中子通量的95%置信水平上限，排除了银河系中心处大多数理论模型所预测的中子产生机制。

ABSTRACT

We present updated results for anisotropy searches in the direction of the Galactic Center (GC) at energies in the ranges: 0.1<E<1 EeV and 1<E<10 EeV. We use data from the Pierre Auger Observatory up to March, 2007. Present analyzes are therefore based on a substantially larger data set than our previous published results. A limit on the flux coming from a hypothetical point-like neutron source at the GC for 1<E<10 EeV was imposed, and searches for extended excesses were also performed.

研究动机与目标

• 利用皮埃尔·让天文台的更新数据，搜索银河系中心附近宇宙射线的各向异性的存在。
• 检验在0.1 < E < 10 EeV能量范围内，宇宙射线是否存在可能的点源或扩展源过剩。
• 在95%置信水平下，对银河系中心处假设的中子源通量设定上限，特别针对1 < E < 10 EeV能量区间。
• 使用Li-Ma显著性检验与角分辨率匹配的滤波器，评估宇宙射线通量在人马座A*方向是否与各向同性一致。
• 评估这些结果对理论模型的影响，这些模型预测银河系中心存在高能中子辐射。

提出的方法

• 使用皮埃尔·让天文台地表探测器（SD）的数据，要求事件在紧凑构型中触发至少3个探测罐，且满足第5级触发接受度标准。
• 选择视向角θ < 60°的事件，能量估计基于SD信号积分，通过荧光探测器测量进行标定。
• 应用Li-Ma过密度显著性检验，评估5°、10°和20°的顶帽窗口，以及与角分辨率（1.2°–2.0° FWHM）匹配的0.8°–1.3°高斯束。
• 背景估计采用覆盖图，考虑探测器死时间、阵列扩展和天气影响，以建模接受度变化。
• 假设宇宙射线微分谱ΦCR(E) ∝ E−3.3，通量限制使用如下公式推导：Φ95s = (n95s / nexp) × (4πσ²) × ∫ΦCR(E) dE，其中n95s为信号计数的95%置信水平上限。
• 将通量上限转换为光度上限：LGC < 1.25κ × 10³⁴ erg/s，其中κ = 1.2为HiRes标定值。

实验结果

研究问题

• RQ1 在0.1至10 EeV能量范围内，银河系中心方向是否存在显著的宇宙射线过剩？
• RQ2 当前的Auger数据能否探测到银河系中心处假设的点源中子源？可设定何种通量上限？
• RQ3 银河系中心区域是否存在扩展的宇宙射线过剩？其与各向同性预期相比如何？
• RQ4 观测到的银河系中心附近人马座A*方向的宇宙射线通量是否支持或排除了理论模型所预测的高能中子辐射？
• RQ5 本研究结果与早期AGASA和SUGAR的报告，以及H.E.S.S.的TeV伽马射线观测结果相比有何异同？

主要发现

• 在0.1 < E < 1 EeV能量范围内，银河系中心区域未发现显著的宇宙射线过剩，1.3°高斯窗口内观测值与预期值之比为1.00 ± 0.02（统计）± 0.01（系统），符合各向同性。
• 在1 < E < 10 EeV能量范围内，0.8°高斯窗口内观测值与预期值之比为0.99 ± 0.17（统计）± 0.01（系统），与各向同性一致。
• 对银河系中心处假设的点源中子源，95%置信水平的积分通量上限为Φ95s = 0.018κ km⁻² yr⁻¹，其中κ = 1.2为HiRes标定值。
• 相应的光度上限为LGC < 1.25κ × 10³⁴ erg/s，该结果排除了大多数预测银河系中心产生中子的理论模型。
• 对10°和20°窗口的扩展源搜索未发现显著过剩，1 < E < 10 EeV能量区间内观测值与预期值之比分别为1.07 ± 0.04和1.03 ± 0.02。
• 银河系中心区域Li-Ma显著性值的分布与各向同性一致，经蒙特卡洛模拟与高斯涨落对比验证。