[论文解读] Anisotropies in the cosmic radiation observed with ARGO-YBJ

R. Iuppa|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2011

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

ARGO-YBJ 在多个角尺度上观测到宇宙射线各向异性的特征，探测到高达 25 TeV 的大尺度 '尾部指向' 和 '损失锥' 结构，并在赤经 ~120°、赤纬 ~40° 和 赤经 ~60°、赤纬 ~-5° 处发现两个显著的中等尺度过量，显著性达 14σ。数据揭示了能量依赖的各向异性特征，包括区域 1 中能量谱更硬（质子中值能量截止于 ~8 TeV），暗示存在超出标准模型的局域源或磁场不均匀性。

ABSTRACT

Important informations on the origin and the propagation mechanisms of cosmic rays may be provided by the measurement of the anisotropies of their arrival direction. In this paper the observation of anisotropy regions at different angular scales is reported. In particular, the observation of a possible anisotropy on scales between $\sim10^{\circ}$ and $\sim30^{\circ}$ may be a key-detection for speculations on the presence of unknown features of the magnetic fields the charged cosmic rays propagate through, as well as to potential contributions of nearby sources to the total flux of cosmic rays. Evidence of new weaker few-degree excesses throughout the sky region $195^{\circ}\leq$ R.A. $\leq 315^{\circ}$ is also reported.

研究动机与目标

• 利用 ARGO-YBJ 大气簇射阵列测量宇宙射线在多个角尺度上的各向异性的特征。
• 研究宇宙射线天空中大尺度和中等尺度各向异性的起源，特别是能量低于 25 TeV 的情况。
• 评估观测到的各向异性是否由附近源、磁场不均匀性或仪器/系统效应引起。
• 为北天区小尺度过量提供高显著性证据，特别是赤经 195°–315° 区域。
• 为未来与其他实验及星际中性原子数据的联合分析提供支持，以确定这些各向异性的起源。

提出的方法

• 采用等天顶角方法估算各向同性背景，并抑制大尺度系统误差。
• 应用直接积分法并进行 3 小时时间平均，以作为小尺度特征的高通滤波器。
• 使用赤道坐标系下的天图，选择天顶角 ≤50° 且簇射粒子数 ≥25 的高质量事件。
• 计算赤经方向的谐波振幅，以能量为函数量化各向异性的强度。
• 将数据按簇射粒子数分箱，以推导过量区域的能量谱并评估谱硬化现象。
• 利用 Modified Julian Date 分析过量的时间演化，以检验其时间变异性或与其他天体物理现象的相关性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在能量低于 25 TeV 的宇宙射线天空中是否存在中等尺度各向异性？其随能量如何变化？
• RQ2 195°–315° 赤经区域观测到的过量是否为真实结构，而非统计涨落？
• RQ3 区域 1（赤经 ~120°，赤纬 ~40°）的各向异性是否与比各向同性背景更硬的宇宙射线谱一致？
• RQ4 观测到的各向异性是否表现出时间变异性，或与其他天体物理现象相关？
• RQ5 背景估计中的系统误差在多大程度上影响了弱各向异性的探测？

主要发现

• 在高达 25 TeV 的能量范围内，观测到显著性 >20σ 的大尺度各向异性，具有 '尾部指向' 和 '损失锥' 特征，与以往实验结果一致。
• 在赤经 ~120°、赤纬 ~40° 和 赤经 ~60°、赤纬 ~-5° 处探测到两个中等尺度过量，显著性达 14σ，与 Milagro 实验的探测结果一致。
• 195°–315° 赤经区域表现出多个数度的过量，事后检验显著性 >6σ，表明存在非随机的结构。
• 区域 1 的宇宙射线谱比各向同性宇宙射线更硬，其截止能量约为 600 个簇射粒子（Eₚ⁵⁰ ≈ 8 TeV），暗示存在特殊源或传播效应。
• 区域 2 的谱与各向同性宇宙射线相似，但在低粒子数时可能因探测器效率效应导致谱变陡。
• 未观测到过量时间分布的时间变异性或相关性，表明各向异性特征在整个观测期间保持稳定。