[论文解读] Features of the energy spectrum of cosmic rays above $2.5{ imes} 10^{18}$ eV using the Pierre Auger Observatory

A. Aab, P. Abreu+380 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2020

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 18

一句话总结

本研究利用皮埃尔·让天文台收集的215,030个事例，对2.5×10¹⁸ eV以上的宇宙射线能谱进行了高精度测量。结果揭示在约1.3×10¹⁹ eV处能谱出现显著硬化，而在5×10¹⁹ eV以上则出现陡降，且无显著赤纬依赖性，与涉及能量依赖性质量组成的模型一致，高于5×10¹⁸ eV的能谱能量密度为(5.66 ± 1.40)×10⁵³ erg Mpc⁻³。

ABSTRACT

We report a measurement of the energy spectrum of cosmic rays above $2.5{ imes} 10^{18}$ eV based on $215,030$ events. New results are presented: at about $1.3{ imes} 10^{19}$ eV, the spectral index changes from $2.51 \pm 0.03 extrm{ (stat.)} \pm 0.05 extrm{ (sys.)}$ to $3.05 \pm 0.05 extrm{ (stat.)}\pm 0.10 extrm{ (sys.)}$, evolving to $5.1\pm0.3 extrm{ (stat.)} \pm 0.1 extrm{ (sys.)}$ beyond $5{ imes} 10^{19}$ eV, while no significant dependence of spectral features on the declination is seen in the accessible range. These features of the spectrum can be reproduced in models with energy-dependent mass composition. The energy density in cosmic rays above $5{ imes} 10^{18}$ eV is $(5.66 \pm 0.03 extrm{ (stat.)} \pm 1.40 extrm{ (sys.)} ) { imes} 10^{53}~$erg Mpc$^{-3}$.

研究动机与目标

• 利用大规模事例样本，精确测量2.5×10¹⁸ eV以上的宇宙射线能谱。
• 研究能谱特征是否表现出方向依赖性，特别是与赤纬的关系。
• 测定本地宇宙中高于5×10¹⁸ eV的宇宙射线能量密度。
• 评估观测到的能谱特征与涉及初级粒子能量依赖性质量组成的模型的兼容性。

提出的方法

• 分析皮埃尔·让天文台地面空气簇射探测器收集的215,030个宇宙射线事例。
• 利用到达方向和簇射发展参数重建能谱，以推断初级粒子能量。
• 通过重采样和校准技术估算统计误差和系统误差，以量化不确定性。
• 在能量区间内确定谱指数，以识别能谱结构的变化。
• 比较不同赤纬范围内的能谱特征，以检验能谱行为的各向异性。
• 利用高于5×10¹⁸ eV的积分通量计算宇宙射线能量密度，考虑调查体积和曝光量。

实验结果

研究问题

• RQ1 宇宙射线能谱在2.5×10¹⁸ eV以上是否表现出硬化或软化特征？其能量尺度为何？
• RQ2 能谱特征是否对源方向的赤纬存在可测量的依赖性？
• RQ3 本地宇宙中高于5×10¹⁸ eV的宇宙射线总能量密度是多少？
• RQ4 观测到的能谱结构是否可由初级粒子质量组成随能量变化的模型解释？

主要发现

• 在约1.3×10¹⁹ eV处，谱指数从2.51 ± 0.03（统计）± 0.05（系统）硬化至更高能量下的3.05 ± 0.05（统计）± 0.10（系统）。
• 在5×10¹⁹ eV以上，谱指数显著陡降至5.1 ± 0.3（统计）± 0.1（系统），表明强烈的能量依赖性。
• 在天文台可及范围内的赤纬区间内，未观测到能谱特征的显著依赖性。
• 高于5×10¹⁸ eV的宇宙射线能量密度测量值为(5.66 ± 0.03（统计）± 1.40（系统）) × 10⁵³ erg Mpc⁻³。
• 观测到的能谱演化与初级粒子质量组成随能量变化的模型一致。
• 数据集的高统计精度使得能谱拐点的稳健识别和可靠误差估计成为可能。