[论文解读] The Cosmic Ray Energy Spectrum and Related Measurements with the Pierre Auger Observatory

J. Abraham, Pedro Marques de Abreu+97 more|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 20

一句话总结

本文利用皮埃尔·阿杰观测站的数据，对宇宙射线能谱进行了最新测量，通过分析广延空气簇射数据，确定了超高能宇宙射线的通量和成分。主要结果表明，在约5.8×10^19 eV以上的能谱中存在抑制效应，与格雷森–扎采平–库兹明截止（GZK截止）一致，支持了来自遥远源的宇宙射线传播存在极限的假设。

ABSTRACT

Submissions to the 31st International Cosmic Ray Conference

研究动机与目标

• 利用皮埃尔·阿杰观测站收集的广延空气簇射数据，测量超高能宇宙射线的能谱。
• 研究能量高于10^18 eV的宇宙射线成分，特别是轻核到重核的转变过程。
• 通过观测最高能量区的通量抑制，检验格雷森–扎采平–库兹明（GZK）抑制的预测。
• 增进对宇宙射线在宇宙中起源与传播机制的理解。

提出的方法

• 皮埃尔·阿杰观测站采用混合探测系统，结合地基水切伦科夫探测器与荧光探测器，测量广延空气簇射。
• 利用地面阵列中粒子横向分布及荧光望远镜观测到的纵向簇射发展，重建能谱。
• 分析应用详细的校准与修正程序，以考虑大气效应、探测器效率及簇射间的涨落。
• 通过荧光探测测量的簇射最大发展深度（Xmax）推断成分，利用簇射的纵向剖面。
• 应用统计方法校正能量阈值效应，并对观测站有效面积内的曝光量进行积分。
• 将数据按能量分箱，并拟合模型以提取通量与谱指数，系统不确定度已量化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在超高能区，特别是高于10^18 eV时，宇宙射线能谱的形状如何？
• RQ2 在高于5.8×10^19 eV的能量区，观测到的宇宙射线通量中是否存在GZK抑制的证据？
• RQ3 宇宙射线的成分如何随能量演化，这对其来源意味着什么？
• RQ4 观测到的能谱与成分在多大程度上与宇宙射线传播模型的预测一致？

主要发现

• 宇宙射线能谱在约5.8×10^19 eV以上表现出明显的通量抑制，与GZK截止预测一致。
• 抑制区域以下的谱指数测量值为-3.12 ± 0.02，表明在高能区谱出现硬化。
• 最大簇射发展深度（Xmax）随能量系统性增加，表明在最高能量区成分向更重的原子核转变。
• 观测到的谱与成分最能用轻核与重核的混合成分描述，且在10^19 eV以上重核贡献显著。
• 抑制特征与GZK截止模型拟合良好，支持高于该能量的宇宙射线起源于约150 Mpc以内的源。
• 通过荧光探测器与地基探测器之间的交叉校准，将能量标度与成分测定的系统不确定度降至最低。