[论文解读] Search for correlations between arrival directions of ultrahigh-energy cosmic rays detected by the Telescope Array experiment and a flux pattern from nearby starburst galaxies

Rasha Abbasi, Mitsuru Abe+138 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2018

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 1

一句话总结

本研究测试了 Telescope Array 实验探测到的超高能宇宙射线是否与附近星暴星系的通量分布相关，采用的是 Pierre Auger 合作组早期研究确定的固定参数。结果表明，未发现显著各向异性（与各向同性相差1.1σ），且与 Auger 的结果一致（差异为1.4σ），表明在 TA 数据中，各向同性与星暴星系相关性假说之间无统计上的区分能力。

ABSTRACT

The Pierre Auger Collaboration (Auger) recently reported a correlation between the arrival directions of cosmic rays with energies above 39 EeV and the flux pattern of 23 nearby starburst galaxies (SBGs). In this Letter, we tested the same hypothesis using cosmic rays detected by the Telescope Array experiment (TA) in the 9-year period from May 2008 to May 2017. Unlike the Auger analysis, we did not optimize the parameter values but kept them fixed to the best-fit values found by Auger, namely 9.7% for the anisotropic fraction of cosmic rays assumed to originate from the SBGs in the list and 12.9° for the angular scale of the correlations. The energy threshold we adopted is 43 EeV, corresponding to 39 EeV in Auger when taking into account the energy-scale difference between two experiments. We find that the TA data is compatible with isotropy to within 1.1{\sigma} and with the Auger result to within 1.4{\sigma}, meaning that it is not capable to discriminate between these two hypotheses.

研究动机与目标

• 研究 Telescope Array 实验探测到的超高能宇宙射线是否与附近星暴星系的通量分布存在方向相关性。
• 使用 Pierre Auger 合作组早期分析确定的固定参数，检验部分能量高于43 EeV 的宇宙射线起源于星暴星系的假设。
• 评估 Telescope Array 数据是否能够区分各向同性与星暴星系引起的各向异性假说。
• 评估 Telescope Array 的结果与 Pierre Auger 合作组报告的39 EeV相关性结果的一致性，同时考虑能量标度的差异。
• 基于 Auger 确定的固定角度尺度和各向异性分数，判断观测数据是否支持或拒绝所提出的关联性。

提出的方法

• 采用与 Pierre Auger 合作组对来自星暴星系的宇宙射线所确定的相同各向异性分数9.7%和角度尺度12.9°。
• 使用2008年5月至2017年5月期间的 Telescope Array 数据，聚焦于能量高于43 EeV 的宇宙射线，并调整至与 Auger 分析中使用的39 EeV 阈值一致。
• 对宇宙射线到达方向与23个附近星暴星系的空间通量分布之间进行方向相关性检验。
• 使用统一的统计框架，计算与各向同性偏离的显著性，并与 Auger 结果直接比较。
• 固定模型参数以避免优化，确保与原始 Auger 分析的一致性，实现直接比较。
• 计算观测相关性相对于各向同性的统计显著性（1.1σ）以及相对于 Auger 结果的显著性（1.4σ）。

实验结果

研究问题

• RQ1 Telescope Array 探测到的超高能宇宙射线到达方向与附近星暴星系的通量分布之间是否存在显著相关性？
• RQ2 在使用相同模型参数的前提下，Telescope Array 数据是否支持 Pierre Auger 合作组提出的各向异性假说？
• RQ3 Telescope Array 数据中观测到的相关性相对于各向同性的统计显著性是多少？
• RQ4 在使用相同模型参数的前提下，Telescope Array 结果与 Auger 结果的一致性程度如何？
• RQ5 Telescope Array 数据能否在各向同性与星暴星系引起的各向异性假说之间做出区分？

主要发现

• Telescope Array 数据未显示与各向同性的显著偏离，其显著性为1.1σ。
• Telescope Array 数据中观测到的相关性与 Pierre Auger 合作组的结果一致，差异仅为1.4σ。
• 数据未提供支持星暴星系引起的各向异性假说、而否定各向同性假说的证据。
• 从 Auger 分析中固定采用的模型参数（9.7% 各向异性分数，12.9° 角度尺度）未进行重新优化，从而保持了与原始分析的可直接比较性。
• 基于 Telescope Array 数据，无法在各向同性假说与 SBG 相关性假说之间做出统计区分。
• 结果表明，Telescope Array 实验未证实 Pierre Auger 合作组报告的各向异性信号，也未在显著水平上与之矛盾。