[论文解读] Coherent radio emission from the cosmic ray air shower sudden death

B. Revenu, Vincent Marin|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用 4

一句话总结

本文提出，次级电子和正电子在抵达地面时的突然减速会在20 MHz以下频率产生相干射电信号，可通过简单天线探测。模拟显示，这种“突然死亡”信号的幅度与初级能量成线性关系，随距离按1/d变化，且能实现精确测时和对最大电场产生深度（$X_{\text{max}}^{\text{prod}}$）的估计，从而提供一种推断初级宇宙射线性质的新方法。

ABSTRACT

We describe the characteristics of a new radio signal, generated by the secondary electrons and positrons of the shower front when they reach the ground. The very fast deceleration of these particles induces the coherent emission of an electric field at frequencies smaller than 20 MHz. We show, using simulations with the code SELFAS, that this sudden death signal should be detectable with a simple dedicated antenna and could provide many informations on the shower, in particular the nature of the primary cosmic ray. We also show that this signal permits to estimate the atmospheric depth of maximum of electric field emission X_{max}^{prod}, which occurs max well before the atmospheric depth corresponding to the maximum number of secondary particles in the shower (Xmax). Observation of this signal should be considered for the design of future radio experiments.

研究动机与目标

• 识别并表征与宇宙射线空气簇射在地面终止相关的新型相干射电辐射机制。
• 解释以往实验中观测到的异常强低频射电信号（低于20 MHz）的原因，这些信号无法用标准地磁或阿萨里安机制解释。
• 证明地面处簇射粒子的突然停止会产生可探测的、对完整电磁簇射组分敏感的相干信号。
• 表明该信号可实现对$X_{\text{max}}^{\text{prod}}$（最大电场产生深度）的精确测时与估计，该深度位于$X_{\text{max}}$（最大粒子密度）之前。

提出的方法

• 使用SELFAS代码模拟次级电子和正电子在地面最终减速过程中产生的电磁场。
• 分析不同核心距离和簇射几何条件下，电场信号在水平（EW）和垂直极化方向的功率谱密度（PSD）。
• 计算“突然死亡脉冲”（SDP）的横向分布函数（LDF），并与大气中簇射发展产生的“初始脉冲”（PP）进行比较。
• 利用几何与运动学模型，将SDP信号的时延与距簇射核心的距离关联，实现通过飞行时间三角测量法进行核心重建。
• 推导SDP的偏振方向与向量$\boldsymbol{\beta} - (\mathbf{n} \cdot \boldsymbol{\beta})\mathbf{n}$成正比，其中$\mathbf{n}$为从核心指向观测者的单位矢量，$\boldsymbol{\beta}$为簇射轴方向。
• 通过识别最终粒子减速期间电场辐射速率峰值对应的海拔深度，估算$X_{\text{max}}^{\text{prod}}$。

实验结果

研究问题

• RQ1 过去空气簇射实验中观测到的异常强低频射电信号（低于20 MHz）是由什么引起的？这些信号强于标准地磁和阿萨里安机制的预测。
• RQ2 次级电子和正电子在地面的突然减速是否会产生可探测且与初始簇射信号不同的相干射电辐射？
• RQ3 “突然死亡脉冲”（SDP）的幅度与相干性如何随初级能量、核心距离和簇射几何结构变化？
• RQ4 SDP信号能否用于确定最大电场产生深度$X_{\text{max}}^{\text{prod}}$？它与纵向簇射剖面有何关系？
• RQ5 SDP的偏振与时间结构是怎样的？能否用于重建簇射核心位置和初级粒子特性？

主要发现

• “突然死亡”信号（SDP）在约20 MHz以下保持相干，与核心距离无关；而“初始脉冲”（PP）的相干性随观测者距离增加而减弱，且在更高频段迅速丧失。
• 对于垂直入射的1 EeV质子簇射，在距核心100米处，SDP幅度约为15 μV/m，其幅度与初级能量成线性关系，并随距离按1/d衰减。
• SDP的横向分布函数（LDF）比初始脉冲更平缓，解释了为何低频实验能在更远的核心距离探测到簇射。
• SDP沿向量$\boldsymbol{\beta} - (\mathbf{n} \cdot \boldsymbol{\beta})\mathbf{n}$方向偏振，可实现对簇射轴方向的定向重建。
• SDP相对于核心撞击时间具有$d/c$的时延，可通过多探测器的飞行时间三角测量法实现精确的核心定位。
• SDP可实现对$X_{\text{max}}^{\text{prod}}$（最大电场产生深度）的估计，该深度位于纵向簇射剖面的拐点附近，且先于$X_{\text{max}}$（最大粒子密度）出现。