[论文解读] Highlights from the Pierre Auger Observatory (ICRC17)

M. Unger|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用 5

一句话总结

本文综述了截至2016年皮埃尔·让锐天文台的关键成果，包括对超高能宇宙射线能谱的精确测量，显示在约5 EeV处存在能谱转折（ankle），在约40 EeV处出现通量抑制；提供了质量组成变化的证据；以及在宇宙射线到达方向上观测到大尺度各向异性。该研究结合了混合SD/FD数据与无线电探测技术，用于研究强子相互作用及宇宙射线起源，而AugerPrime升级计划旨在通过增强地表探测器和μ子探测能力，解决通量抑制的起源并改进质量组成测量。

ABSTRACT

In this contribution we summarize the highlights from the Pierre Auger Observatory presented at the 35th International Cosmic Ray Conference. We discuss the update of the measurement of the energy spectrum of cosmic rays over a wide range of energy ($10^{17.5}$ to above $10^{20}$ eV), studies of the cosmic-ray mass composition with the fluorescence and surface detector of the Observatory, the discovery of a large-scale anisotropy in the arrival direction of cosmic rays above $8 imes 10^{18}$ eV and indications of anisotropy at intermediate angular scales above $4 imes 10^{19}$ eV. Moreover, we report on tests of hadronic interactions beyond LHC energies, multi-messenger analyses with neutral primaries and the progress of the upgrade of the Observatory, AugerPrime, aimed at elucidating the origin of the observed flux suppression at ultra-high energies.

研究动机与目标

• 利用混合SD和FD数据，精确测量能量范围为10^17.5至>10^20 eV的超高能宇宙射线（UHECRs）能谱。
• 通过分离地表探测器升级后电磁成分与μ子成分的 shower 信号，确定UHECRs的质量组成。
• 研究UHECR到达方向上的大尺度与中等尺度各向异性，以探究宇宙射线源与传播机制。
• 利用空气簇射数据检验LHC能量以上的强子相互作用模型，并约束如洛伦兹不变性破坏等新物理现象。
• 通过AugerPrime升级解决超高能区通量抑制的起源，该升级将提升质量与能量分辨率。

提出的方法

• 结合地表探测器（SD）与荧光探测器（FD）的数据，测量簇射发展与能量，采用不依赖强子模型假设的数据驱动校准方法。
• 应用恒定强度法与足迹模板法，校正因天顶角依赖性引起的簇射大小测量偏差，实现能量估计。
• 利用SD/FD同时触发事件，通过荧光 calorimetry 和精确的大气监测，将地表探测器簇射大小校准至绝对能量。
• 采用AugerPrime升级，即在现有水契伦科夫探测器（WCDs）之上增设4 m²地表闪烁体探测器（SSDs），以分别测量电磁与μ子成分的簇射。
• 引入新型快速电子学与地下μ子探测器，提升动态范围，并验证从WCD-SSD联合信号中提取μ子含量的准确性。
• 通过在更高夜天背景条件下运行，扩展FD的运行时间，从而增加混合事件的统计量。

实验结果

研究问题

• RQ1 超高能宇宙射线能谱的精确形状是什么？观测到的约40 EeV处的通量抑制是由什么引起的？
• RQ2 宇宙射线的质量组成如何随能量演化？这对它们的源与传播机制有何启示？
• RQ3 UHECR到达方向上大尺度各向异性的起源是什么？中等尺度各向异性如何依赖于粒子刚度？
• RQ4 当前的强子相互作用模型是否与UHECR数据一致？若存在偏差，是否指向标准模型之外的新物理？
• RQ5 AugerPrime升级能否通过实现事件级质量与能量测量，解决通量抑制的起源问题？

主要发现

• 能谱在~5 EeV处显示出明显的转折（ankle），并在~40 EeV处出现通量抑制，与GZK截止或源能限一致。
• 平均宇宙射线质量在约10^18.3 eV处由重核向轻核转变，且在10^19.5 eV以上可能观察到质量组成变化的迹象。
• 在>8×10^18 eV的能量段，观测到约7%的大尺度偶极各向异性，表明存在各向性宇宙射线源或传播效应。
• 在>4×10^19 eV的能量段观测到中等尺度各向异性，表明在这些能量下宇宙射线分布存在结构。
• 在√s = 57 TeV下的质子-空气截面与LHC外推结果一致，但地表探测器数据揭示了强子簇射建模中的不一致性。
• AugerPrime工程阵列已成功实现稳定运行，闪烁体信号线性良好，校准准确，验证了全规模部署的设计可行性。