[论文解读] The bending of the proton plus helium flux in primary cosmic rays measured by the ARGO-YBJ experiment in the energy range from 20 TeV to 5 PeV

P. Montini, S. M. Mari|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2016

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 7

一句话总结

本研究基于西藏ARGO-YBJ实验的数据，从20 TeV到5 PeV的能量范围内，给出了质子加氦以及全粒子宇宙射线的能量谱。通过在簇射核心附近对侧向粒子密度测量值应用贝叶斯反卷积技术，质子加氦谱在约1 PeV处显示出明显的弯曲，与以往全粒子观测结果一致。

ABSTRACT

The measurement of proton plus helium and all-particle energy spectra in the range $20\,$ TeV to $5 \,$PeV and $80 \,$TeV to $5 \,$PeV respectively are presented. Data taken by the ARGO-YBJ detector in the 2010 year have been analyzed. The ARGO-YBJ experiment (Tibet, P. R. China) has been taking data for more than five years by means of a full-coverage array of RPC detectors. The discrimination between showers produced by light and heavy primaries has been performed by looking at the lateral particle density close to the core region. A Bayesian unfolding technique was therefore applied to the measured quantities in order to evaluate the cosmic ray energy spectrum. The proton plus helium spectrum clearly shows a bending at about $1 \,$PeV, while the all-particle spectrum is consistent with previous observations.

研究动机与目标

• 利用ARGO-YBJ探测器测量20 TeV至5 PeV能量范围内质子加氦原初宇宙射线的能量谱。
• 研究轻质原初宇宙射线（质子和氦核）在可能呈现谱硬化或弯曲的高能区域中的行为。
• 应用贝叶斯反卷积技术校正探测器响应，从测量数据中提取真实的宇宙射线能量谱。
• 将质子加氦谱与全粒子谱进行比较，以评估该能量范围内谱特征（如弯曲或硬化）的存在。

提出的方法

• 利用位于中国西藏的ARGO-YBJ实验中覆盖全区域的电阻板室（RPC）探测器阵列，连续运行超过五年。
• 通过分析簇射核心区域附近的侧向粒子密度，区分轻核与重核原初宇宙射线。
• 对测量得到的侧向粒子密度分布应用贝叶斯反卷积技术，重建真实的宇宙射线能量谱。
• 分析2010年收集的数据，推导出20 TeV至5 PeV能量范围内质子加氦与全粒子的能量谱。
• 利用重建后的谱，识别目标能量范围内可能存在的谱弯曲或硬化等特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 在20 TeV至5 PeV的能量范围内，质子加氦宇宙射线谱是否在约1 PeV处表现出弯曲特征？
• RQ2 在相同能量范围内，质子加氦原初粒子的谱形与全粒子谱相比如何？
• RQ3 贝叶斯反卷积技术在多大程度上提升了从侧向粒子密度测量值重建能量谱的准确性？
• RQ4 观测到的质子加氦谱弯曲特征是否与以往全粒子测量结果一致？

主要发现

• 质子加氦能量谱在约1 PeV处表现出明显的弯曲特征，表明谱在该能量附近出现软化，或源特性与传播行为发生改变。
• 全粒子能量谱与以往观测结果保持一致，验证了测量方法的可靠性。
• 贝叶斯反卷积技术成功地从测量得到的侧向粒子密度分布中重建出真实的能量谱。
• 基于簇射核心附近侧向粒子密度对轻核与重核原初粒子的区分方法，在谱分析中表现有效。
• 在20 TeV至5 PeV能量范围内测得的质子加氦谱为轻质宇宙射线组分中谱硬化或弯曲现象提供了新的证据。