[论文解读] Measurement of the Cosmic Ray Energy Spectrum with ARGO-YBJ

G. Di Sciascio, For The ARGO-YBJ Collaboration|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2014

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 2

一句话总结

本论文利用位于西藏海拔4300米处的ARGO-YBJ实验，采用数字与模拟读出技术及与WFCTA望远镜的联合测量，对宇宙射线能谱进行了高分辨率测量。研究报告称，在轻组分（质子+氦）能谱中，约650 TeV处出现明显的膝状结构，谱指数为-2.61±0.04，与CREAM直接测量结果一致，表明在膝区附近能谱出现硬化现象。

ABSTRACT

The ARGO-YBJ detector, located at high altitude in the Cosmic Ray Observatory of Yangbajing in Tibet (4300 m asl, about 600 g/cm2 of atmospheric depth) provides the opportunity to study, with unprecedented resolution, the cosmic ray physics in the primary energy region between 10^{12} and 10^{16} eV. The preliminary results of the measurement of all-particle and light-component (i.e. protons and helium) energy spectra between approximately 5 TeV and 5 PeV are reported and discussed. The study of such energy region is particularly interesting because not only it allows a better understanding of the so called 'knee' of the energy spectrum and of its origin, but also provides a powerful cross-check among very different experimental techniques. The comparison between direct measurements by balloons/satellites and the results by surface detectors, implying the knowledge of shower development in the atmosphere, also allows to test the hadronic interaction models currently used for understanding particle and cosmic ray physics up the highest energies.

研究动机与目标

• 在5–200 TeV和100 TeV–10 PeV能量范围内，对全粒子及轻组分（p+He）宇宙射线能谱进行高分辨率测量。
• 通过将地面EAS测量结果与高空气球/卫星直接测量数据对比，检验强子相互作用模型。
• 通过不同实验技术之间的交叉验证，解决长期存在的关于膝区成分组成的模糊性问题。
• 利用联合测量与月影技术，校准广延大气簇射阵列的能量标度。

提出的方法

• 在5–200 TeV能量范围内，基于条纹多重性实现数字读出，用于能量重建。
• 在100 TeV–10 PeV能量范围内，采用RPC电荷积分实现模拟读出，用于簇射测量。
• 应用贝叶斯去卷积技术，从簇射核心粒子密度和横向分布函数重建原初粒子能谱。
• 通过与WFCTA原型望远镜进行联合测量，结合切伦科夫光产额与粒子密度，提升能量分辨率与成分分辨能力。
• 利用月影技术将绝对能量标度校准精度控制在4%以内。
• 采用对质量敏感的选择判据，基于横向分布函数形状与核心粒子密度，将p+He组分分离，其来自重核素的污染低于15%。

实验结果

研究问题

• RQ1 轻组分（p+He）宇宙射线能谱是否在约650 TeV处表现出膝状结构？其谱指数是多少？
• RQ2 ARGO-YBJ对p+He能谱的测量结果与CREAM实验在2.5–250 TeV范围内的直接测量结果相比如何？
• RQ3 ARGO-YBJ结果在多大程度上支持其他实验（如Tibet ASγ和BASJE）所提出的在膝区附近成分偏重的结论？
• RQ4 结合ARGO-YBJ与WFCTA的联合测量能否在PeV能量范围内提升能量分辨率与成分敏感度？
• RQ5 当前强子相互作用模型（如QGSJET、SIBYLL）在多大程度上能再现膝区观测到的能谱与成分特征？

主要发现

• ARGO-YBJ测量的轻组分（p+He）能谱在5–200 TeV能量范围内谱指数为-2.61±0.04，与CREAM的p+He联合谱结果高度一致。
• 在p+He能谱中，约650 TeV处观察到明显的膝状结构，其显著性约为单幂律拟合的6个标准差。
• ARGO-YBJ结果与CREAM数据一致，表明质子与氦核谱比以往低能测量结果更硬。
• 联合的ARGO-YBJ/WFCTA测量在系统误差范围内确认了膝结构，将测量能量范围延伸至更高能区。
• ARGO-YBJ在100–3000 TeV能量范围内测量的全粒子谱与现有参数化模型吻合良好，验证了数据选择与能量重建流程的可靠性。
• 分析表明，在膝能区p+He组分并非主导，250 TeV处的成分比为Jp : JHe : JCNO ≈ 0.20 : 0.58 : 0.22，表明重核素有显著贡献。