[论文解读] The Pierre Auger Observatory - a new stage in the study of the ultra-high energy cosmic rays

S. Vorobiov|arXiv (Cornell University)|Nov 5, 2008

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 22被引用 3

一句话总结

皮埃尔·阿杰天文台通过结合荧光望远镜和地基水契伦科夫探测器的混合探测系统，研究能量高于10^17 eV的超高能宇宙射线（UHECRs）。该观测发现，在4×10^19 eV以上能量处宇宙射线通量出现显著陡降，并且到达方向的各向异性与附近活动星系核相关，支持其起源于河外天体，并符合包含混合成分的天体物理加速模型。

ABSTRACT

This paper presents the highlights from the recent measurements of the energy spectrum, mass composition, and arrival directions of the ultra-high energy ($> 10^{17}$ eV = 0.1 EeV) cosmic rays (UHECR) by the Pierre Auger Observatory. The Auger hybrid detector combines fluorescence observations of the longitudinal profiles of extended air showers, initiated by these extremely energetic particles, with measures of the shower secondaries at the ground level by its large array of Cherenkov water tanks. The complementariness of the two techniques provides important cross-checks at the energies unreachable with accelerator experiments. The Pierre Auger experiment has observed a strong steepening of the cosmic ray flux above 40 EeV. A significant anisotropy in the arrival directions of cosmic rays has been established for events above $\simeq 60$ EeV. These events correlate over angular scales of less than 6$^\circ$ with the directions towards nearby ($D < 100$ Mpc) active galactic nuclei. Both observations are consistent with the standard scenarios of the UHECR production in the extragalactic astrophysical acceleration sites. The derived stringent upper limits on the photon and neutrino contents in the UHECR are additional important arguments in support of these scenarios. The measurements of the variation of the depth of shower maximum with energy, interpreted with the current hadronic interaction models, favour the mixed cosmic ray composition at energies above 0.4 EeV. We describe the plans and prospects for the future, that will further help to solve the 50 years old UHECR puzzle.

研究动机与目标

• 解决长达50年的超高能宇宙射线（UHECR）起源与成分之谜。
• 区分天体物理加速模型与涉及光子或中微子的“自上而下”奇异情景。
• 高精度测量UHECR的能量谱、质量成分及到达方向分布。
• 将探测能力扩展至较低能量（10^17–5×10^18 eV），以研究银河系内与河外宇宙射线的过渡。
• 开发未来观测站扩展方案，包括阿杰北区和AMIGA，以提升灵敏度并实现全天覆盖。

提出的方法

• 结合纵向簇射剖面的荧光探测与大型水契伦科夫探测器阵列的地基测量。
• 利用混合探测技术交叉验证能量与成分估计，降低对强子相互作用模型的依赖。
• 采用10%观测时间的荧光探测技术进行量热能量测量，独立于簇射发展细节。
• 部署密集的表面探测器阵列并配备μ子探测器（AMIGA），以提升10^17–5×10^18 eV能量区间内质量成分的测定精度。
• 在10–100 MHz频段集成无线电探测技术，实现100%观测时间，作为SD与FD方法的补充。
• 计划建设覆盖20,740 km²的北半球阿杰天文台，配备4,000个表面探测器和40–50台荧光望远镜，以扩展覆盖范围并提升统计精度。

实验结果

研究问题

• RQ1 能量高于10^17 eV的超高能宇宙射线的起源是什么？
• RQ2 在约5×10^19 eV处观测到的通量抑制是否与宇宙微波背景辐射中π介子产生导致的GZK截止一致？
• RQ3 UHECR的到达方向是否具有各向异性？是否与附近活动星系核相关？
• RQ4 在4×10^17 eV以上能量区间，UHECR的质量成分是什么？其随能量如何演化？
• RQ5 无线电探测技术能否提供一种可行的、高观测时间利用率的UHECR簇射重建替代方案？

主要发现

• 在4×10^19 eV以上能量处观测到宇宙射线通量显著陡降，与GZK截止一致。
• 在约6×10^19 eV以上能量的事件中，确认了显著的到达方向各向异性，且与距离小于100 Mpc的附近活动星系核在小于6°的角尺度上相关。
• 簇射最大深度随能量增加而增加，若结合当前强子相互作用模型解释，表明在4×10^17 eV以上能量处宇宙射线成分为混合成分。
• 对UHECR中光子与中微子含量测得严格上限，支持天体物理加速情景，而非“自上而下”模型。
• 计划建设阿杰北区项目，覆盖20,740 km²，配备4,000个表面探测器和40–50台荧光望远镜，以增强统计精度并实现带电粒子天文学。
• AMIGA项目将采用更密集的探测阵列，包含85对水契伦科夫探测器与μ子探测器，以提升10^17–5×10^18 eV能量区间内质量成分的测定精度。