[论文解读] Cosmic Rays with Energy Above 10^{17} ev

V. P. Egorova, А. В. Глушков+11 more|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2004

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究使用改进的横向分布函数（LDF）对 Yakutsk EAS 阵列的超高能宇宙射线数据进行了重新分析，以优化核心位置和粒子密度估计。结果表明，校正后的 S600 值提高了 10–20%，导致能量谱更高，约为 10^19 eV 时 HiRes 的 2.5 倍，但由于密度测量中存在较大的不确定性和系统效应，该谱仍与 GZK 截止一致。

ABSTRACT

The energy spectrum of primary cosmic rays with ultra high energies based on the Yakutsk EAS Array data is presented. For the largest events values of S600 and axis coordinates have been obtained using revised lateral distribution function. The affect of the arrival time distribution at several axis distance on estimated density for Yakutsk and AGASA is considered.

研究动机与目标

• 通过改进核心位置和粒子密度测量，提高对 10^17 eV 以上宇宙射线能量谱的估计。
• 研究粒子到达时间分布及 RC-转换器时间响应对大距离处密度估计的影响。
• 通过校正密度测量中的系统偏差，解决 Yakutsk、AGASA 和 HiRes 实验之间强度差异的问题。
• 评估观测到的能谱是否支持或与 ~10^20 eV 处的 GZK 截止相矛盾。

提出的方法

• 应用与 AGASA 类似的改进横向分布函数（LDF），以优化大簇射事件的核心位置。
• 使用 AGASA 的粒子分布数据，模拟在 R = 1050、1500 和 2000 m 处的探测器响应，计算 K_R（估计密度与真实密度的比值）。
• 利用 K_R 值量化 Yakutsk 的密度低估和 AGASA 的密度高估，其原因在于 RC-转换器时间响应和次级脉冲的影响。
• 应用修正后的 S300 和 S600 公式，以更准确地估计原初宇宙射线能量。
• 比较 Yakutsk、AGASA 和 HiRes 的微分能量谱，评估一致性与强度差异。
• 考虑系统误差，包括 AGASA 恒定输入 RC-转换器中延迟粒子（如中子）和背景μ子的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 RC-转换器的时间分辨率在大距离处如何影响粒子密度估计？
• RQ2 延迟粒子和背景μ子在多大程度上导致 AGASA 系统中密度的高估？
• RQ3 应用修正后的横向分布函数如何改善 Yakutsk 阵列中的核心位置和 S600 估计？
• RQ4 尽管能谱形状相似，为何 Yakutsk、AGASA 和 HiRes 的强度测量存在显著差异？
• RQ5 在当前不确定性下，Yakutsk 数据能否排除 ~10^20 eV 处 GZK 截止的存在？

主要发现

• 使用修正后的横向分布函数，使阵列内部簇射的 S600 值提高 10%，阵列边界处提高 20%。
• 在 2000 m 距离处，Yakutsk 的 RC-转换器时间响应导致粒子密度低估 24%（K_R = 0.76），而 AGASA 的恒定输入系统导致高估 20%（K_R = 1.2）。
• 模拟结果表明，对于 E0 = 10^20 eV 的簇射，在 2000 m 处 Yakutsk 的低估程度小于 10%，原因是低粒子密度下有效簇射前峰厚度减小。
• 在 10^19 eV 附近，Yakutsk 的能量谱约为 HiRes 的 2.5 倍，比 AGASA 高 30%，主要归因于能量估计的改进。
• 在修正系统误差后，Yakutsk 数据并未排除 GZK 截止的存在，因为即使在能量降低一个标准误差后，仍仅有一个事件超过 10^20 eV。
• AGASA 的能量估计受模型依赖性和未校正时间效应的影响，报告的平均不确定性约为 20%。