[论文解读] Recent results from the Pierre Auger Observatory

J. W. Cronin|ArXiv.org|Nov 24, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用 10

一句话总结

本文展示了皮埃尔·阿尤尔天文台（2004–2009年）的关键结果，采用地表探测器与荧光望远镜相结合的混合探测系统，研究超高能宇宙射线。研究报告了与GZK效应一致的宇宙射线能谱陡化，55 EeV以上能量时到达方向存在各向异性的证据，以及在最高能量下测得的延伸率表明宇宙射线成分为轻核素，对源识别和强子相互作用模型具有重要影响。

ABSTRACT

We report on the observations of cosmic rays with energies > 1.0 EeV from Jan 2004 to April 2009 by the Pierre Auger Observatory. During this period the Observatory has grown from about 300 surface detectors to about 1600 upon its completion in November 2008. The 1600 surface detectors are overlooked by 24 fluorescence telescopes. We report on measurements of the cosmic ray spectrum, the arrival directions and the elongation rate. We also report limits for the photon and neutrino components of this cosmic radiation.

研究动机与目标

• 测量超高能（≥10^18 eV）宇宙射线能谱，检验与宇宙微波背景相互作用所预测的GZK截止效应。
• 研究宇宙射线到达方向的各向异性，以识别约100 Mpc范围内的潜在河外源。
• 利用延伸率和簇射发展参数，确定最高能量下宇宙射线的成分。
• 利用混合探测技术，对宇宙射线通量中的光子和中微子组分设定限制。
• 通过利用黄金混合事例，减少能量标定中的模型依赖性，实现地表探测器的绝对标定。

提出的方法

• 采用1600个地表探测器（水契伦科夫水箱）与24台荧光望远镜的混合探测，通过符合事例精确重建簇射几何结构。
• 黄金混合事例——地表探测器与荧光探测器同时触发——用于独立于强子相互作用模型地校准地表探测器的能量响应。
• 基于大气中簇射发展的荧光测量进行能量标定，通过大气监测和已知荧光产额实现绝对标定。
• 使用2点-Rayleigh检验评估到达方向的各向同性，无需参考源星表，利用15个区间内的角对分布。
• 通过蒙特卡罗模拟各向同性分布，计算观测到测量各向异性的概率，每批事件样本进行10^5次模拟。
• 利用垂直等效Muon（VEM）分析地表探测器中簇射横向发展与信号振幅，以推断簇射能量与几何结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 宇宙射线能谱在10^19.5 eV以上是否表现出抑制，与GZK效应一致？
• RQ2 超高能宇宙射线的到达方向是否呈现各向异性？若存在，是否与100 Mpc范围内的已知河外源相关？
• RQ3 基于延伸率与簇射发展特性，能量≥10^19 eV时宇宙射线的成分是什么？
• RQ4 能否在不依赖源星表匹配的情况下独立检测到达方向的各向异性？其统计显著性如何？
• RQ5 通过混合事例，能量标定在多大程度上可摆脱对强子相互作用模型的依赖？

主要发现

• 宇宙射线能谱在约6×10^19 eV以上出现陡化，与GZK效应一致，表明能谱存在截止。
• 在55 EeV以上事件中观测到显著的到达方向各向异性，2点-Rayleigh检验的各向同性概率为1.8×10^−3，表明与各向同性有显著偏离。
• 在最高能量下测得的延伸率表明宇宙射线成分主要由轻核素或质子主导，与部分强子相互作用模型的预期相矛盾。
• 混合探测系统实现了不依赖强子模型的能量标定，增强了能谱与成分测量结果的可信度。
• 在标准模型下，观测到的各向异性和延伸率相互矛盾，表明存在尚未解释的张力。
• 该观测站的地表探测器占空比接近100%，附加设备的加入使其能量探测范围延伸至10^17 eV以下，实现了跨越三个十年的能量覆盖。