[论文解读] Energy Spectrum and Chemical Composition of Cosmic Rays between 0.3 and 10 PeV determined from the Cherenkov-Light and Charged-Particle distributions in Air Showers

F. Arqueros, The HEGRA Collaboration|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 1999

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 7

一句话总结

本研究利用HEGRA大气簇射探测器阵列的切伦科夫光与带电粒子联合测量，给出了0.3至10 PeV能量区间宇宙射线的能量谱和化学组成。研究在3.98 PeV处识别出谱中的‘膝’结构，膝以下能量谱指数为-2.72，以上为-3.22，最佳拟合簇射扩展率（elongation rate）为78.3 g/cm²，且高能区轻核素比例逐渐降低。

ABSTRACT

Measurements of the lateral distribution of Cherenkov photons with the wide-angle atmospheric Cherenkov light detector array AIROBICC and of the charged particle lateral distribution with the scintillator matrix of the HEGRA air-shower detector complex in air showers are reported. With the atmospheric shower-front sampling technique these detectors measure the electromagnetic component of an extensive air shower via the lateral density distribution of the shower particles and of the Cherenkov photons. The data are compared with events generated with the CORSIKA program package with the QGSJET hadronic-event generator. Consistency checks performed with primary energy-reconstruction methods based on different shower observables indicate satisfactory agreement between these extensive air shower simulations and the experimental data. The energy spectrum features a so called ``knee'' at an energy of E_knee = 3.98 (+4.66) (-0.83) (stat) +- 0.53 (syst) PeV. Power law fits to the differential energy spectrum yield indices of -2.72 (+0.02)(-0.03) (stat) +- 0.07 (syst) below, and -3.22 (+0.47) (-0.59) (stat) +- 0.08 (syst)} above the knee. The best-fit elongation rate for the whole energy range is determined to 78.3 +- 1.0 (stat) +- 6.2 (syst) g/cm^2. At the highest energies it seems to decrease slightly.The best-fit fraction of light nuclei decreases from 37 (+28) (-21) % (combined statistical and systematic) to 8 (+32) (-8) % (combined statistical and systematic) in the energy range discussed here. A detailed study of the systematic errors reveals that a non-changing composition cannot be excluded.

研究动机与目标

• 利用大气簇射数据，确定0.3–10 PeV能量区间宇宙射线的能量谱与化学组成。
• 研究约3–4 PeV能量区间宇宙射线谱中‘膝’结构的性质。
• 通过多种簇射可观测量与模拟对比，评估组成随能量的演化。
• 利用多种方法评估组成与能量重建中的系统误差。
• 检验CORSIKA模拟中QGSJET强子相互作用模型与实验数据的一致性。

提出的方法

• 利用AIROBICC广角大气切伦科夫探测器阵列测量切伦科夫光子的横向分布。
• 利用HEGRA闪烁体阵列测量广延大气簇射中带电粒子的横向分布。
• 应用大气簇射前沿取样技术，从横向密度分布重建电磁组分。
• 使用CORSIKA模拟结合QGSJET强子相互作用模型，与实验数据进行比较。
• 基于不同簇射可观测量，对主成分能量重建方法进行一致性检验。
• 利用从簇射发展参数导出的扩展率与轻核素分数约束组成。

实验结果

研究问题

• RQ1 0.3至10 PeV区间宇宙射线的能量谱为何？‘膝’位于何处？
• RQ2 在此能量区间内，宇宙射线的化学组成如何随能量演化？
• RQ3 观测到的谱与当前空气簇射模拟模型（如CORSIKA结合QGSJET）的符合程度如何？
• RQ4 簇射发展的最佳拟合扩展率是多少？其随能量如何变化？
• RQ5 宇宙射线中轻核素的比例是多少？该比例在能量范围内如何变化？

主要发现

• 能量谱在3.98 (+4.66/-0.83) PeV（统计）± 0.53 PeV（系统）处表现出‘膝’结构。
• 微分能量谱在‘膝’以下的幂律指数为-2.72 (+0.02/-0.03)（统计）± 0.07（系统），以上为-3.22 (+0.47/-0.59)（统计）± 0.08（系统）。
• 整个能量区间最佳拟合扩展率为78.3 ± 1.0（统计）± 6.2（系统）g/cm²，高能区可能存在下降趋势。
• 轻核素分数从37 (+28/-21)% 降至8 (+32/-8)%（联合统计与系统误差），覆盖整个能量范围。
• 系统误差分析表明，在90%置信水平下，无法排除恒定组成的可能性。
• 不同能量重建方法间的一致性检验表明，模拟与数据一致，支持结果的可靠性。