[论文解读] Observations of Large Scale Sidereal Anisotropy in 1 and 11 TeV cosmic rays from the MINOS experiment

J. M. G. H. J. de Jong|University of North Texas Digital Library (University of North Texas)|Nov 11, 2011

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 10

一句话总结

MINOS 实验利用其近端（94 米深）和远端（720 米深）探测器中探测到的μ子，在 1 TeV 和 11 TeV 能量下测量了宇宙射线的大尺度恒星方位各向异性。观测到的偶极各向异性幅度分别为 8.2 × 10⁻⁴（1 TeV）和 3.8 × 10⁻⁴（11 TeV），相位偏移表明方向依赖性，与银河系或日球层调制效应一致。

ABSTRACT

The MINOS Near and Far Detectors are two large, functionally-identical, steel-scintillating sampling calorimeters located at depths of 220 mwe and 2100 mwe respectively. The detectors observe the muon component of hadronic showers produced from cosmic ray interactions with nuclei in the earth's atmosphere. From the arrival direction of these muons, the anisotropy in arrival direction of the cosmic ray primaries can be determined. The MINOS Near and Far Detector have observed anisotropy on the order of 0.1% at 1 and 11 TeV respectively. The amplitude and phase of the first harmonic at 1 TeV are 8.2$\pm$1.7(stat.)$ imes 10^{-4}$ and (8.9$\pm$12.1(stat.))$^{\circ}$, and at 11 TeV are 3.8$\pm$0.5(stat.)$ imes 10^{-4}$ and (27.2$\pm$7.2(stat.))$^{\circ}$.

研究动机与目标

• 使用μ子探测测量 1 TeV 和 11 TeV 能量下宇宙射线的大尺度恒星方位各向异性。
• 确定这些能量下宇宙射线各向异性的第一谐波的幅度和相位。
• 校正探测器接受度和大气温度变化的影响，这些因素可能模拟出恒星各向异性。
• 利用高统计量数据，构建 1 TeV 能量下宇宙射线各向异性的二维显著性天图。
• 将结果与以往实验（如 ARGO-YBJ 和 IceCube）进行比较，以验证方向性模式。

提出的方法

• 使用两个功能相同的钢-闪烁体采样型 calorimeter（MINOS 近端和远端探测器）探测大气簇射产生的μ子。
• 通过μ子轨迹推断原初宇宙射线方向，假设μ子几乎与原始原初方向平行传播。
• 应用事件选择筛选条件：单条轨迹、长度 >2 m、顶点距探测器边缘在 50 cm 以内、χ²/ndf < 1、残差 < 0.04 m，且运行条件良好。
• 使用公式 ΔRμ / ⟨Rμ⟩ = αT ΔTeff / ⟨Teff⟩ 校正探测器有效时间与季节性温度变化，以消除虚假各向异性。
• 使用按触发率加权的每赤经区间事件计数构建天图，校正有效时间与曝光量变化。
• 将一维各向异性拟合为二阶谐波形式：A(α) = 1 + Σ An cos[nπ(α−φn)/180]，并通过 σ(α,δ) = [N(α,δ)−⟨N(δ)⟩]/√⟨N(δ)⟩ 计算显著性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 1 TeV 和 11 TeV 能量下，宇宙射线各向异性的第一谐波的幅度和相位分别是多少？
• RQ2 在 1 TeV 到 11 TeV 范围内，各向异性幅度如何随原初宇宙射线能量变化？
• RQ3 观测到的各向异性是否与已知的天体物理机制（如银河系自转或日球层效应）一致？
• RQ4 能否利用高统计量数据可靠重建 1 TeV 能量下的宇宙射线各向异性二维显著性天图？
• RQ5 观测到的方向性特征（如银河极附近存在缺失、日尾方向存在过量）是否与以往实验的预测一致？

主要发现

• 第一谐波各向异性的幅度在 1 TeV 时为 8.2 × 10⁻⁴ ± 1.7 × 10⁻⁴（统计误差），在 11 TeV 时降低至 3.8 × 10⁻⁴ ± 0.5 × 10⁻⁴（统计误差）。
• 第一谐波的相位在 1 TeV 时为 8.9° ± 12.1°，在 11 TeV 时为 27.2° ± 7.2°，表明能量依赖的相位移动。
• 在远端探测器中，赤经 150° 至 245° 区间观测到 5.3σ 的缺失，偶然概率为 0.001%。
• 在近端探测器中，赤经 155°–225° 区间观测到 11.1σ 的缺失，50°–140° 区间观测到 7.8σ 的过量，两者的偶然概率均小于 0.0001%。
• 1 TeV 能量下的二维显著性天图显示，在北银河极附近（192° 赤经，+27° 赤纬）存在显著缺失，而在日尾方向存在过量。
• 1 TeV 天图与 ARGO-YBJ 的先前观测结果一致，验证了 MINOS 测量方法与结果的可靠性。