[论文解读] Skymap for atmospheric muons at TeV energies measured in deep-sea neutrino telescope ANTARES

S. Mangano|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 3

一句话总结

本论文利用来自ANTARES深海中微子望远镜一年的观测数据（其中12条探测线中有5条处于运行状态），首次展示了TeV能量级下向穿过大气的μ子的天图。通过线性拟合重建方法和曝光校正后的赤经归一化，识别出由于数据采集非均匀性导致的赤经分布非均匀性，该非均匀性被校正后揭示了潜在的宇宙射线各向异性，其显著性通过泊松统计计算得出。

ABSTRACT

Recently different experiments mention to have observed a large scale cosmic-ray anisotropy at TeV energies, e.g. Milagro, Tibet and Super-Kamiokande. For these energies the cosmic-rays are expected to be nearly isotropic. Any measurements of cosmic-rays anisotropy could bring some information about propagation and origin of cosmic-rays. Though the primary aim of the ANTARES neutrino telescope is the detection of high energy cosmic neutrinos, the detector measures mainly down-doing muons, which are decay products of cosmic-rays collisions in the Earth's atmosphere. This proceeding describes an anlaysis method for the first year measurement of down-going atmospheric muons at TeV energies in the ANTARES experiment, when five out of the final number of twelve lines were taking data.

研究动机与目标

• 利用ANTARES中微子望远镜的数据，搜索TeV能量级大气μ子通量中的大尺度各向异性。
• 评估非均匀数据采集和背景涨落对观测到的μ子天区分布的影响。
• 开发并应用一种曝光校正后的赤经分布归一化方法，以分离潜在的宇宙射线各向异性信号。
• 验证探测器在高统计量μ子重建及未来各向异性灵敏度方面的性能。

提出的方法

• 分析了2007年2月至2007年12月期间，使用5条ANTARES探测线从1070万次μ子事例中收集的数据。
• 基于切伦科夫光子到达时间和光电倍增管位置，采用基于线性拟合算法重建μ子轨迹，仅选择在至少两条线和六个平台被观测到的轨迹。
• 利用轨迹重建时间，将探测器的本地坐标（天顶角和方位角）转换为赤道坐标（赤经和赤纬）。
• 通过建模随时间变化的数据采集效率和背景中断情况，对赤经分布进行曝光非均匀性校正。
• 使用泊松统计计算每个天区中观测到特定事件数的概率，显著性定义为每个天区的 S = -log₁₀(P)。
• 分析聚焦于赤纬带，通过平均事件率估算预期背景 ν_b，并与观测到的事件数 n_obs 进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 ANTARES观测到的TeV能量级大气μ子通量中是否存在可测量的大尺度各向异性？

主要发现

• 原始的μ子事件赤经分布显示出非均匀性，这是由于数据采集非均匀性和背景率波动所致，曝光波动与观测到的调制模式一致。
• 曝光校正后，赤经分布的均匀性在统计预期范围内，表明非均匀数据采集是表观各向异性的主要来源。
• 通过基于泊松统计的显著性 S = -log₁₀(P) 量化了单个天区中潜在宇宙射线信号的显著性，其中 P 由观测事件数与预期事件数的对比计算得出。
• 该分析表明，探测器的μ子重建和曝光建模足够稳健，可支持未来更高统计量的宇宙射线各向异性搜索。
• 所开发的方法可适用于未来ANTARES全配置探测器数据，更高的统计量将提升对各向异性的灵敏度。
• 结果证实，只要正确校正曝光效应，ANTARES获取的大气μ子数据可用于探测TeV能量级原初宇宙射线的各向异性。