[论文解读] Large Scale Cosmic Ray Anisotropy With IceCube

Rasha Abbasi, P. Desiati|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 6

一句话总结

本研究利用冰立方中微子天文台收集的43亿个向下穿行的μ子事例，首次在南半球绘制出大尺度宇宙射线各向异性的二维天图。结果报告在14 TeV中值能量下，一阶谐波振幅为$ (6.4 \pm 0.2) \times 10^{-4}$，并显示出显著的能量依赖性，振幅从12.6 TeV下的$ 7.3 \pm 0.3 \times 10^{-4}$下降至126 TeV下的$ 2.9 \pm 0.6 \times 10^{-4}$。

ABSTRACT

We report on a study of the anisotropy in the arrival direction of cosmic rays with a median energy per Cosmic Ray (CR) particle of ~ 14 TeV using data from the IceCube detector. IceCube is a neutrino observatory at the geographical South Pole, when completed it will comprise 80 strings plus 6 additional strings for the low energy array Deep Core. The strings are deployed in the deep ice between 1,450 and 2,450 meters depth, each string containing 60 optical sensors. The data used in this analysis were collected from April 2007 to March 2008 with 22 deployed strings. The data contain ~ 4.3 billion downward going muon events. A two-dimensional skymap is presented with an evidence of 0.06% large scale anisotropy. The energy dependence of this anisotropy at median energies per CR particle of 12 TeV and 126 TeV is also presented in this work. This anisotropy could arise from a number of possible effects; it could further enhance the understanding of the structure of the galactic magnetic field and possible cosmic ray sources.

研究动机与目标

• 利用冰立方的μ子数据测量南天球的宇宙射线大尺度各向异性的目标。
• 研究宇宙射线各向异性的能量依赖性，涵盖两个中值能量区间：12.6 TeV 和 126 TeV。
• 校正探测器引起的不对称性以及非均匀的时间覆盖，以分离出真实的天体物理各向异性。
• 将观测到的各向异性与理论模型（如康普顿-基丁效应和银河系磁场结构）进行比较。

提出的方法

• 利用2007年4月至2008年3月期间，通过22根冰立方线束收集的43亿个向下穿行的μ子事例。
• 应用一种单次迭代的基于似然的重建算法，以确定μ子的方向和能量，中值角分辨率约为3°。
• 通过使用$ \bar{n}/n_i $对事件权重进行归一化，校正探测器方位不对称性，其中$ \bar{n} $为每箱的平均事例率。
• 通过应用额外的归一化，考虑视向角依赖的事例率变化，以维持均匀的天空曝光。
• 根据触发传感器数量和视向角，将数据划分为两个能量区间，以实现能量依赖性的各向异性分析。
• 将二维天图投影为一维赤经分布，并拟合至一阶谐波正弦函数，以提取振幅和相位。

实验结果

研究问题

• RQ1 冰立方测量的南天天区中，大尺度宇宙射线各向异性的振幅和相位分别是多少？
• RQ2 在10–100 TeV和100 TeV–1 PeV范围内，一阶谐波各向异性的振幅如何随宇宙射线能量变化？
• RQ3 探测器几何结构和非均匀时间覆盖在多大程度上会引起人为各向异性？又是如何校正的？
• RQ4 观测到的各向异性是否支持康普顿-基丁效应或其他银河系磁场构型？
• RQ5 南半球各向异性与先前测量的北半球结果相比，在振幅和相位上如何？

主要发现

• 在南天天区观测到大尺度宇宙射线各向异性，其一阶谐波振幅为$ (6.4 \pm 0.2) \times 10^{-4}$，相位为$ 66.4^\circ \pm 2.6^\circ $。
• 在中值能量为12.6 TeV时，各向异性振幅测量值为$ (7.3 \pm 0.3) \times 10^{-4}$，表明在低能区间存在显著信号。
• 在更高中值能量126 TeV时，振幅下降至$ (2.9 \pm 0.6) \times 10^{-4}$，显示出清晰的能量依赖性抑制。
• 振幅-能量趋势在10–100 TeV范围内呈下降趋势，与银河系传播效应的理论预期一致。
• 稳定性检验确认了结果的稳健性：昼夜或冬夏子运行之间未发现各向异性振幅存在显著差异。
• 天图中的过量区和缺失区显著性水平超过$ |4\sigma| $，表明观测到的各向异性具有高度统计置信度。