[论文解读] Observation of shadowing of the cosmic electrons and positrons by the Moon with IACT

P. Colin, D. Borla Tridon+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用 4

一句话总结

本文提出利用成像大气契伦科夫望远镜（IACT）观测到的月球影子，测量能量高于300 GeV——尤其是约1 TeV范围——的宇宙射线电子与正电子通量比，该能量区间内传统模型显示出异常。该方法利用地磁偏转效应，将正电子、电子和反电子射线影子在空间上分离，使IACT能够间接探测这些粒子，尽管在高能区其本征粒子识别能力较差。

ABSTRACT

Recent measurements of the cosmic-ray electron (e-) and positron (e+) fluxes show apparent excesses compared to the spectra expected by standard cosmic-ray (CR) propagation models in our galaxy. These excesses may be related to particle acceleration in local astrophysical objects, or to dark matter annihilation/decay. The e+/e- ratio (measured up to ~100 GeV) increases unexpectedly above 10 GeV and this may be connected to the excess measured in all-electron flux at 300-800 GeV. Measurement of this ratio at higher energies is a key parameter to understand the origin of these spectral anomalies. Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes (IACT) detect electromagnetic air showers above 100 GeV, but, with this technique, the discrimination between primary e-, e+ and diffuse gamma-rays is almost impossible. However, the Moon and the geomagnetic field provide an incredible opportunity to separate these 3 components. Indeed, the Moon produces a 0.5deg-diameter hole in the isotropic CR flux, which is shifted by the Earth magnetosphere depending on the momentum and charge of the particles. Below few TeV, the e+ and e- shadows are shifted at >0.5deg each side of the Moon and the e+, e- and gamma-ray shadows are spatially separated. IACT can observe the e+ and e- shadows without direct moonlight in the field of view, but the scattered moonlight induces a very high background level. Operating at the highest altitude (2200m), with the largest telescopes (17m) of the current IACT, MAGIC is the best candidate to reach a low energy threshold in these peculiar conditions. Here we discuss the feasibility of such observations.

研究动机与目标

• 测量能量高于300 GeV、特别是约1 TeV处的$e^+$/ $e^-$比值，该能量区间宇宙射线电子与正电子通量的谱异常暗示存在新物理。
• 通过利用带电粒子的地磁偏转效应，克服IACT在区分$e^+$、$e^-$和$ar{ ext{e}}$-射线簇射方面的局限性。
• 利用月球影子作为天然能谱仪，实现IACT观测站的能量定标与蒙特卡罗模拟的验证。
• 在高背景条件下，通过探测电子影子间接约束正电子与弥散反电子射线通量。
• 评估在当前及下一代IACT阵列中，尽管存在散射月光带来的高背景，探测正电子与电子影子的可行性。

提出的方法

• 利用月球在各向同性宇宙射线通量中形成的0.5°直径影子，其位置因地球磁层作用而随粒子电荷与动量发生偏移。
• 利用地磁偏转效应，在空间上将正电子影子（向东偏移）与电子影子（向西偏移）相互分离，并与反电子射线影子（位于月球真实位置）区分开。
• 在高海拔（2200米）运行IACT望远镜（如MAGIC），采用大口径望远镜（17米），以实现低能量阈值和在明亮月光条件下的更高灵敏度。
• 应用先进的重建方法与选择性截断，将电子样簇射与强子背景（包括质子和氦引起的簇射）区分开。
• 利用质子与氦簇射的蒙特卡罗模拟，建模并减去强子性月影贡献，从而实现正电子与电子信号的提取。
• 利用电子影子探测作为代理手段，推导正电子与弥散反电子射线通量的上限，鉴于IACT中电子与反电子射线在能量上存在显著分离。

实验结果

研究问题

• RQ1 IACT数据中的月影效应是否可用于测量能量高于300 GeV、特别是约1 TeV处的$e^+$/ $e^-$比值？
• RQ2 地磁偏转在多大程度上能实现IACT观测中正电子、电子与反电子射线影子的空间分离？
• RQ3 在散射月光导致的高背景条件下，当前IACT（如MAGIC）探测电子与正电子影子的可行性如何？
• RQ4 如何利用电子影子探测来约束高能区正电子通量与弥散反电子射线通量？
• RQ5 采用该方法后，下一代IACT阵列在灵敏度与能量范围方面可实现哪些提升？

主要发现

• 预计电子影子在300 GeV以上将产生相当于蟹状星云通量3%至5%的通量缺失，使当前IACT（如MAGIC）可探测到该信号。
• 电子影子探测预计需要10至50小时的观测时间，但每年仅约15小时可用（受月光限制），意味着需开展多年测量计划。
• 正电子影子探测更具挑战性，因通量缺失更小且易与强子簇射混淆，需进一步开展详细的蒙特卡罗模拟。
• 电子影子探测可实现对300 GeV以上能量区间的正电子与弥散反电子射线通量的上限约束。
• 下一代IACT有望将电子影子探测时间缩短至5小时以内，并通过更大口径望远镜与更大视场设计，将可探测能量范围从150 GeV扩展至3 TeV。
• 该方法为IACT提供了直接、独立的能量定标手段，并对高能天体物理学中使用的蒙特卡罗模拟程序构成严格检验。