[论文解读] Observation of Anisotropy in the Arrival Direction Distribution of TeV Cosmic Rays with HAWC

S. BenZvi, D. W. Fiorino+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 13被引用 3

一句话总结

利用HAWC观测站2013–2014年采集的181天数据，本研究以1°角分辨率测量了TeV能段宇宙射线的各向异性，识别出(α=60°, δ=−5°)、(α=120°)和(α=205°)处显著的小尺度超额。研究揭示了区域A中能量依赖的谱硬化现象，相对强度与能量的关系斜率具有4.2σ的显著性，表明在更高能量下超额位置向北移动，与先前的Milagro和ARGO-YBJ观测结果一致。

ABSTRACT

The High-Altitude Water Cherenkov (HAWC) Observatory, located 4100 m above sea level near Sierra Negra (19$^\circ$ N) in Mexico, is sensitive to gamma rays and cosmic rays at TeV energies. The arrival direction distribution of cosmic rays at these energies shows significant anisotropy on several angular scales, with a relative intensity ranging between 10$^{-3}$ and 10$^{-4}$. We present the results of a study of cosmic-ray anisotropy based on more than 86 billion cosmic-ray air showers recorded with HAWC since June 2013. The HAWC cosmic-ray sky map, which has a median energy of 2 TeV, exhibits several regions of significantly enhanced cosmic-ray flux. We present the energy dependence of the anisotropy and the cosmic-ray spectrum in the regions of significant excess.

研究动机与目标

• 理解TeV宇宙射线到达方向分布中局域各向异性的起源。
• 利用高统计量数据测量宇宙射线超额区域的能量依赖谱行为。
• 将HAWC结果与先前北半球实验（Milagro、ARGO-YBJ）及南半球数据（IceCube）进行比较，识别一致性与新特征。
• 表征宇宙射线超额区域的形态与能量演化特性，特别是区域A，以检验本地宇宙射线源的模型。
• 评估超额区域中谱硬化的显著性，以区分源驱动的各向异性与散射效应。

提出的方法

• 利用HAWC-111（111个水切伦科夫探测器）在2013年6月至2014年7月间记录的8.6×10¹⁰个宇宙射线空气簇射事件测量各向异性。
• 使用HEALPix网格以0.2°分辨率构建天图，将到达方向分入等面积像素。
• 通过在24小时恒星周期内直接积分生成参考各向同性图⟨N⟩(α,δ)，以考虑探测器触发率变化和探测深度效应。
• 计算观测值与预期各向同性通量之间的差值，生成残差图，以分离各向异性特征。
• 利用探测器模拟创建能量代理区间，估算各区间中位能量，实现能量依赖的谱分析。
• 通过将区域A中δI与log(E)关系的斜率与1000个随机位置的斜率比较，并采用高斯参考分布，评估谱硬化的统计显著性。

实验结果

研究问题

• RQ1 HAWC在中位能量约2 TeV的能段下，宇宙射线各向异性的能量依赖行为如何？
• RQ2 区域A（α=60°, δ=−5°）的超额是否随能量增加而出现谱硬化？该硬化是否具有统计显著性？
• RQ3 HAWC观测到的超额区域在形态与谱特性上，与Milagro和ARGO-YBJ在北天区的观测结果相比如何？
• RQ4 是否存在高能段宇宙射线超额在区域A向北移动的证据，如先前实验所提示？
• RQ5 当与相似中位能量下的IceCube数据对比时，观测到的各向异性特征是否能在南北半球间保持一致？

主要发现

• HAWC-111数据在(α=60°, δ=−5°)处揭示出显著的小尺度超额，与Milagro和ARGO-YBJ的先前观测结果一致。
• 区域A的相对强度呈现谱硬化特征，δI与log(E)关系的最佳拟合斜率为(3.8±1.1)×10⁻⁴，显著高于背景均值4.2σ。
• 谱硬化通过卡方检验得到验证：斜线拟合的χ²为1.16，而水平线拟合为5.66，表明具有强统计显著性。
• 区域A表现出能量依赖的形态特征：在10 TeV以下，南部成分（δ≈−5°）占主导；在更高能量下，北部成分（δ≈5°）显现。
• 区域B在α=120°处表现出向更高赤纬延伸的超额，尽管其纬度较高，但Milagro数据未能完全解析该结构，与ARGO-YBJ结果一致。
• HAWC图中此前未确认的α=280°处的超额被观测为亚阈值特征，提示可能存在一个潜在新源，有望通过更长数据积累得到证实。