[论文解读] Highlights from the Pierre Auger Observatory (ICRC2019)

A. Castellina|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2019

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 7

一句话总结

本文展示了皮埃尔·让天文台15年多来对超高能宇宙射线（UHECR）观测的关键成果，包括能量谱延伸至10^20.2 eV，通过荧光探测器和表面探测器测量的粒子成分，以及大尺度与中等尺度各向异性研究。AugerPrime升级计划通过升级表面探测器、无线电天线和地下μ子探测器，提升事件级粒子成分分辨能力，并探究通量抑制的起源，从而增强对加速器无法触及的强子相互作用的敏感度。

ABSTRACT

The Pierre Auger Observatory has collected data for more than 15 years, accumulating the world's largest exposure to ultrahigh energy cosmic rays (UHECRs). The energy spectrum of the UHECRs has been measured up to $10^{20.2}$ eV, and their mass composition has been studied exploiting both the fluorescence and surface detectors of the Observatory. The analysis of the UHECRs arrival directions allowed us to measure their large-scale anisotropies over more than three decades in energy. The searches for intermediate-scale anisotropies are being performed with an exposure now reaching approximately $100,000$ km$^2$sr yr. For the first time, the fluctuations in the number of muons in inclined air showers above $4 imes 10^{18}$ eV have been obtained, while more information in the energy range $10^{17.5}-10^{18.3}$ eV comes from the direct measure of muons with the underground scintillators of the Observatory. Moreover, we discuss the limits obtained on the fluxes of neutral particles and the results of the searches for UHE neutrinos from transient astrophysical sources. The new perspectives opened by the current results call for an upgrade of the Observatory, whose main aim is the collection of new information about the primary mass of the highest energy cosmic rays to understand the origin of the observed flux suppression. The progress of the upgrade of the Observatory, AugerPrime, is presented and discussed.

研究动机与目标

• 理解10^17 eV以上超高能宇宙射线（UHECR）的起源与成分。
• 解析UHECR能谱中通量抑制的本质——是源于源限还是GZK截止？
• 通过升级探测器实现事件级粒子成分测量，以打破原初粒子质量与强子相互作用模型之间的混淆。
• 通过探测最高能量的质子，实现带电粒子天文学。
• 拓展对中性粒子和瞬变天体物理源（包括UHE中微子）的敏感度。

提出的方法

• 皮埃尔·让天文台采用混合探测系统：1600个水切伦科夫探测器（WCD）按1.5 km网格分布，以及四个荧光探测器（FD），共27台望远镜，用于测量大气中簇射的纵向发展。
• 能量重建基于恒定强度切片（CIC）方法，应用距簇射核心1 km处的信号（S(1000)），并校正至参考天顶角38°（S38），通过FD-SD混合事件实现无模型校准。
• AugerPrime升级在每个WCD站增加3.8 m²塑料闪烁体探测器（SSD），通过小型光电倍增管扩展动态范围，并安装无线电天线（RD），用于在30–80 MHz频段探测空气簇射的无线电辐射。
• 通过在填充区域部署的地下μ子探测器（UMD）直接测量μ子含量，补充WCD和SSD信号，以重建μ子数量和簇射深度。
• 事件级重建采用多变量分析与簇射普适性原理，结合各站点的到达时间、信号幅度和空间分布，实现能量、簇射核心位置和μ子含量的联合重建。
• 无线电混合事件通过关联WCD信号（电磁组分）与无线电天线信号（无线电足迹）进行重建，尤其适用于倾角较大（θ = 60°–84°）且无线电足迹较大的簇射。

实验结果

研究问题

• RQ1 在UHECR能谱中观测到的通量抑制现象的起源是什么？这是否反映了GZK截止效应，还是源能量上限？
• RQ2 在10^19.5 eV以上能量区间的UHECR粒子成分是什么？其随能量如何演化？
• RQ3 AugerPrime升级能否解决空气簇射模拟中，原初粒子质量与强子相互作用模型之间的混淆问题？
• RQ4 在最高能量区段，UHECR中质子所占比例是多少？能否实现带电粒子天文学？
• RQ5 对中性粒子和瞬变UHE中微子源的通量限制是多少？对多信使天体物理学有何启示？

主要发现

• UHECR能谱已测量至10^20.2 eV，总曝光量约为60,000 km² sr yr，基于SD1500阵列的215,000多个事件。
• UHECR到达方向各向异性已在超过三个十年的能量范围内被测量，中等尺度各向异性搜索的曝光量现已达到约100,000 km² sr yr。
• 首次观测到倾角空气簇射中μ子数在4×10^18 eV以上的涨落，为μ子簇射组分提供了新见解。
• 通过地下闪烁体探测器（UMD）在10^17.5–10^18.3 eV能量区间内直接测量μ子，显著提升了对原初粒子成分的敏感度。
• SD能量估计量S38与FD校准能量在混合事件中的相关性，使得能量标定实现无模型化，且在高能区不确定性降低至5%。
• AugerPrime升级计划（包含350多个升级站点：WCD+SSD、无线电探测器（RD）和UMD）已按计划推进，预计2020年完成全面部署，数据采集计划持续至2025年及以后。