[论文解读] Search for Anisotropy in the Ultra High Energy Cosmic Ray Spectrum using the Telescope Array Surface Detector

Rasha Abbasi, Mitsuru Abe+129 more|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 7

一句话总结

本研究利用 Telescope Array 地面探测器，通过比较靠近超星系面（on-source，即超星系面附近）与远离超星系面（off-source）区域的能量谱，调查了超高能宇宙射线（UHECR）能谱中的各向异性。研究发现，两个区域的谱 break 存在 3.2σ 显著差异，表明 off-source 区域的抑制现象更早出现，该结果与假设质子为原初粒子且磁偏转可忽略的传播模型一致。

ABSTRACT

The Telescope Array (TA) experiment is located in the western desert of Utah, USA, and observes ultra high energy cosmic rays (UHECRs) in the Northern hemisphere. At the highest energies, $E>10$~EeV, the shape of cosmic ray energy spectrum may carry an imprint of the source density distribution along the line of sight different in different directions of the sky. In this study, we search for such directional variations in the shape of the energy spectrum using events observed with the Telescope Array's surface detector. We divide the TA field of view into two nearly equal-exposure regions: the "on-source" region which we define as $\\pm 30^\\circ$ of the supergalactic plane containing mostly nearby structures, and the complementary "off-source" region where the sources are further away on average. We compare the UHECR spectra in these regions by fitting them to the broken power law and comparing the resulting parameters. We find that the off-source spectrum has an earlier break at highest energies. The chance probability to obtain such or larger difference in statistically equivalent distributions is estimated as $6.2\\pm1.1\ imes10^{-4}$ ($3.2\\sigma$) by a Monte-Carlo simulation. The observed difference in spectra is in a reasonable quantitative agreement with a simplified model that assumes that the UHECR sources trace the galaxy distribution from the 2MRS catalogue, primary particles are protons and the magnetic deflections can be neglected.

研究动机与目标

• 调查由于不同视线方向上传播效应导致的 UHECR 能谱方向性变化。
• 检验 UHECR 能谱形状是否受源距离和大尺度结构分布的影响而发生调制。
• 确定观测到的天空区域间能谱差异是否源于统计涨落，还是物理各向异性的体现。
• 评估观测到的能谱差异与基于 2MRS 星系星表的简化传播模型的一致性。
• 探索能谱形状各向异性作为探测 UHECR 源位置与成分的潜在新方法。

提出的方法

• 将 Telescope Array 的视场划分为两个曝光量近似相等的区域：on-source（超星系面±30° 范围内）与 off-source。
• 对每个区域中观测到的 UHECR 能量分布拟合分段幂律，以提取能谱参数。
• 利用蒙特卡洛模拟估算在统计平衡条件下观察到该能谱差异的概率。
• 将结果与基于 CRPropa 的模拟进行比较，该模拟假设原初粒子为质子，采用 2MRS 星系密度分布，并设定 0.1 nG 的随机磁场。
• 应用简化模型，通过宇宙微波背景辐射的光致产生过程预测能量损失导致的能谱调制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在存在附近物质聚集的区域（on-source）与无此类聚集的区域（off-source）之间，能量谱形状是否存在统计显著差异？
• RQ2 观测到的能谱差异是否可由统计涨落解释，还是表明 UHECR 源存在物理各向异性？
• RQ3 观测到的能谱特征在多大程度上与 UHECR 源自 2MRS 星表所追踪星系的模型预测一致？
• RQ4 CMB 相互作用导致的能量损失如何对不同距离源的能谱产生不同的调制效应？
• RQ5 能谱形状各向异性能否作为识别 UHECR 源的补充方法，与角分布聚类方法并用？

主要发现

• 与 on-source 区域相比，off-source 区域在高能区表现出更早的谱 break，表明其通量抑制更快。
• 在统计等效分布下，观察到此类能谱差异的几率估计为 6.2 × 10⁻⁴（3.2σ 显著性）。
• 观测到的能谱差异与假设原初粒子为质子且磁偏转可忽略的模拟结果定性一致。
• 基于 2MRS 星系密度分布和 CRPropa 2.2.0.4 的模拟，再现了随距离变化的能谱调制定性趋势。
• 该结果提供了 3.2σ 的证据，表明 UHECR 能谱存在各向异性，且独立于角分布聚类阈值。
• 该方法通过分析天空中不同区域的能谱形状变化，为探测 UHECR 源与成分提供了新途径。