[论文解读] Measurement of the UHECR spectrum above 10 EeV at the Pierre Auger Observatory using showers with zenith angles greater than 60 degrees

P. Facal San Luis|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2007

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 6

一句话总结

本论文首次利用皮埃尔·让天文台探测到的倾斜簇射（天顶角 >60°）测量了能量高于10 EeV的超高能宇宙射线（UHECR）能谱。通过将μ子分布图归一化因子 $N_{19}$ 与混合型荧光探测器事件进行标定，该研究建立了一个可靠的能标估计器，所得能谱与低天顶角事件一致，证实了高倾斜簇射重建方法的有效性。

ABSTRACT

We report a measurement of the cosmic ray energy spectrum obtained using the inclined events detected with the Pierre Auger Observatory. Showers with zenith angles between 60 and 80 degrees recorded in the period between 1 January 2004 and 28 February 2007 are analysed. Showers are first reconstructed in arrival direction and then fitted to density maps of the muon numbers obtained from 10 EeV simulated proton showers for different arrival directions, in order to obtain the core position and an overall normalisation factor N19 which is used as an energy estimator. The parameter N19 is shown to be correlated with the shower energy measured with the fluorescence technique for a sub-sample of good quality hybrid showers. This correlation, measured with hybrid events, is then used to determine the energy of all the showers.

研究动机与目标

• 利用天顶角 >60°的倾斜空气簇射测量能量高于10 EeV的UHECR能谱，以提高探测器的探测体积和天区覆盖范围。
• 开发并验证一种基于μ子密度图和 $N_{19}$ 作为能标估计器的倾斜簇射稳健能重建方法。
• 利用一组高质量的混合事件，将 $N_{19}$ 与直接的荧光探测器（FD）能标测量值进行标定，以确保准确性。
• 评估重建过程中的系统不确定性，特别是电磁污染、角度分辨率和FD能标的影响。
• 将所得能谱与低天顶角事件的能谱进行比较，以探究宇宙射线成分及强子相互作用模型。

提出的方法

• 利用地面探测器水箱中信号到达时间差重建簇射的到达方向。
• 使用模拟的μ子密度图（μ子图）拟合实测信号分布，以确定簇射核心位置和归一化因子 $N_{19}$。
• 在减去电磁信号贡献后，采用最大似然法估计 $N_{19}$，该参数与簇射能量相关。
• 利用38个高质量混合事件（簇射最大位置良好约束）将 $N_{19}$ 与FD测量能量进行标定。
• 利用模拟（AIRES、GEANT4）建模电磁污染，并将其分数参数化为天顶角和核心距离的函数。
• 使用高级触发（T5）确保重建质量，并通过积分阵列配置和时间的孔径函数计算探测体积。

实验结果

研究问题

• RQ1 在天顶角 >60°的倾斜UHECR簇射中，$N_{19}$ 参数能否被可靠地用作能标估计器？
• RQ2 对于混合事件，重建的 $N_{19}$ 与直接FD能标测量值之间有何相关性？
• RQ3 在倾斜簇射重建中，主要的系统不确定性来源是什么，特别是电磁污染和角度分辨率的影响？
• RQ4 倾斜簇射（60°–80°）测得的能谱是否与低天顶角事件测得的能谱一致？
• RQ5 FD能标中的系统不确定性在多大程度上传播到基于 $N_{19}$ 的能标标定中？

主要发现

• 在对数-对数空间中，$N_{19}$ 与 FD 能量之间的相关性可用幂律函数良好描述：$N_{19} = 10^{-0.77 \pm 0.06} E_{FD}^{0.96 \pm 0.05}$。
• 由于角度重建误差，在80°天顶角时，重建的 $N_{19}$ 值存在12%的不确定性，且随倾斜度增加而增大。
• 混合事件中SD与FD能标之间的RMS分数偏差为 $(20 \pm 3)\%$，与统计和系统不确定性的综合水平一致。
• 倾斜簇射（60°–80°）的能谱与低于60°的簇射能谱一致，共包含734个事件，总积分探测体积为1510 km²sr·年。
• 电磁信号修正带来的系统不确定性在 $\theta < 65^\circ$ 时估计为7%，在80°时增至12%，主要源于角度不确定性。
• 最主要的系统不确定性（22%）来自FD能标，主要由荧光产额（14%）、探测器标定（11%）和重建（10%）贡献。