[论文解读] Cascades initiated by EHE photons in the magnetic field of the Earth and the Sun

W. Bednarek|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 1999

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 5

一句话总结

本文通过蒙特卡洛模拟研究了地球和太阳磁场中极高能（EHE）光子的级联过程。结果表明，来自磁极方向的EHE光子更容易发生级联，而来自太阳磁层的光子可能产生罕见且极为异常的簇射——估计约每十年一次——其特征可通过异常的横向粒子分布加以区分。

ABSTRACT

The content of extremely high energy (EHE) photons in the highest energy cosmic rays can be investigated by analyzing showers arriving from directions where the perpendicular component of the Earth's magnetic field is high or showers arriving from the region surrounding the Sun. We perform Monte Carlo simulations of cascades initiated by photons with parameters of the highest energy showers observed by the past and present detectors (AGASA, Fly's Eye, Yakutsk, Haverah Park). The purpose is to find out which events should cascade with high probability if initiated by photons. It is shown that EHE photons arriving from directions towards the magnetic poles cascade with higher probability. Alternatively, the lowest probabilities of cascading are expected for photons arriving from directions of the equator at the zenith angles equal to the angle between location of the specific observatory and the magnetic pole. We show that very unusual showers should arrive from direction of the Sun due to cascading of photons in the Sun's magnetosphere if EHE photons are numerous at the highest energies. The rate of such showers is estimated on about one per ten years. However extraordinary lateral distribution of secondary particles of such showers in the Earth's atmosphere may help to distinguish them from the ordinary showers arriving isotropically from the sky.

研究动机与目标

• 评估极高能（EHE）光子在地球和太阳磁场中引发级联的可能性。
• 基于磁场几何结构，识别级联概率的方向性模式。
• 评估此类级联在当前及过去宇宙射线探测器（AGASA、Fly's Eye、Yakutsk、Haverah Park）中的可探测性。
• 确定异常簇射特征是否可将光子引发的事件与标准宇宙射线簇射区分开来。
• 若极高能光子在最高能量段丰富，估算此类源自太阳的稀有簇射的预期发生率。

提出的方法

• 在地球和太阳的磁场中进行极高能（EHE）光子簇射的蒙特卡洛模拟。
• 将过去和当前探测器（AGASA、Fly's Eye、Yakutsk、Haverah Park）的观测参数作为模拟输入。
• 模拟EHE光子与磁场的相互作用，以再现电子-正电子对产生及后续级联发展过程。
• 计算级联概率作为到达方向的函数，特别是相对于磁极和赤道平面的分布。
• 分析次级粒子的横向分布，以识别磁场诱导级联的独特特征。
• 基于级联概率和通量假设，估算来自太阳的此类稀有簇射的预期发生率。

实验结果

研究问题

• RQ1 极高能（EHE）光子在不同到达方向下于地球磁场中发生级联的概率是多少？
• RQ2 太阳磁层如何影响极高能（EHE）光子的级联？会产生何种簇射特征？
• RQ3 由于EHE光子级联，来自太阳的可探测异常簇射的预期发生率是多少？
• RQ4 此类簇射中次级粒子的横向分布能否与各向同性的宇宙射线簇射区分开来？
• RQ5 哪些天区方向因磁场几何结构而最有利于极高能（EHE）光子级联？

主要发现

• 来自磁极方向的极高能（EHE）光子由于垂直磁场分量较强，具有最高的级联概率。
• 在观测者磁余纬角等于天顶角的赤道方向入射的光子，级联概率最低。
• 若极高能（EHE）光子在最高能量段丰富，太阳磁层可能产生具有高度异常横向粒子分布的簇射。
• 此类异常簇射来自太阳的估计发生率约为每十年一次。
• 此类簇射中次级粒子的独特横向分布可能使其即使在稀少情况下仍可被识别。
• 模拟结果证实，磁场几何结构显著调制了天空中极高能（EHE）光子级联概率的分布。