[论文解读] Evidence for Proton-Dominated Cosmic Ray Composition above 1.6 EeV

Rasha Abbasi, T. Abu‐Zayyad+59 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 2

一句话总结

本研究利用高分辨率飞行器眼睛观测站（HiRes）对超高能宇宙射线簇射进行分析，测量空气簇射最大发展深度（Xmax），发现在1.6 EeV至63 EeV能量范围内，延长率恒定为47.9 ± 6.0（统计）± 3.2（系统）g/cm²/十年。在QGSJET01和QGSJET-II强子相互作用模型的解释下，数据支持宇宙射线成分以质子为主，从而限制了将能谱中‘脚跟’特征归因于银河系与河外源之间转变的模型。

ABSTRACT

We report studies of ultra-high energy cosmic ray composition via analysis of depth of airshower maximum (Xmax), for airshower events collected by the High Resolution Fly's Eye (HiRes) observatory. The HiRes data are consistent with a constant elongation rate d /d(log(E)) of 47.9 +- 6.0 (stat.) +- 3.2 (syst.)g/cm^2/decade for energies between 1.6 EeV and 63 EeV, and are consistent with a predominantly protonic composition of cosmic rays when interpreted via the QGSJET01 and QGSJET-II high-energy hadronic interaction models. These measurements constrain models in which the galactic-to-extragalactic transition is the cause of the energy spectrum ankle' at 4 EeV.

研究动机与目标

• 利用空气簇射最大发展深度测量，确定1.6 EeV以上超高能宇宙射线的成分。
• 检验宇宙射线能谱中观测到的‘脚跟’特征是否源于银河系与河外源之间的转变。
• 通过既有的高能强子相互作用模型，评估数据与质子主导成分的一致性。
• 通过实测的Xmax数据，对QGSJET01和QGSJET-II等强子相互作用模型施加约束。

提出的方法

• 利用高分辨率飞行器眼睛（HiRes）观测站测量大气中空气簇射最大发展深度（Xmax）。
• 计算延长率dXmax/d(log E)，以推断原初宇宙射线的质量成分。
• 应用QGSJET01和QGSJET-II模型，将Xmax数据解释为粒子成分。
• 使用统计与系统不确定度，评估数据与质子成分的一致性。
• 将实测延长率与假设不同原初成分的模型预测进行比较。
• 评估‘脚跟’特征在约4 EeV处的宇宙射线能谱起源的含义。

实验结果

研究问题

• RQ1 1.6 EeV以上宇宙射线成分是否与质子主导谱一致？
• RQ2 在QGSJET模型解释下，观测到的47.9 g/cm²/十年延长率是否支持质子主导成分？
• RQ3 宇宙射线谱中约4 EeV处的‘脚跟’特征是否可由银河系向河外源的转变解释？
• RQ4 QGSJET01和QGSJET-II模型在1.6–63 EeV能量范围内对观测到的Xmax数据的拟合程度如何？
• RQ5 Xmax测量对提出在脚跟能量处发生成分变化的模型施加了何种约束？

主要发现

• 在1.6–63 EeV能量范围内，实测延长率为47.9 ± 6.0（统计）± 3.2（系统）g/cm²/十年。
• 在QGSJET01和QGSJET-II强子相互作用模型的解释下，数据与以质子为主的成分一致。
• 观测到的延长率在能量范围内无显著变化，支持该能量区间内成分的稳定性。
• 结果不支持‘脚跟’特征（约4 EeV处）源于银河系与河外源之间转变的模型。
• 与质子主导成分的一致性挑战了要求1.6 EeV以上存在显著重元素成分的模型。
• ±3.2 g/cm²/十年的系统不确定度反映了成分解释中的主要不确定性。