[论文解读] Ultra-high Energy Air Showers Observed by ANITA-IV

P. W. Gorham, Andrew Ludwig+58 more|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2020

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 3

一句话总结

ANITA-IV在2016年平流层气球飞行期间观测到29个宇宙射线样事件，其中四个地平线下方事件表现出异常的非反相波形极性——与冰面反射预期的反相信号明显不同——表明背景偏离了3.2σ。由于未观测到类似陡峭上升的事件，排除了常规宇宙射线诱导信号的可能性，暗示这些异常可能源于新颖的、可能为奇异的起源。

ABSTRACT

ANITA's fourth long-duration balloon flight in late 2016 detected 29 cosmic-ray (CR)-like events on a background of $0.37^{+0.27}_{-0.17}$ anthropogenic events. CRs are mainly seen in reflection off the Antarctic ice sheets, creating a characteristic phase-inverted waveform polarity. However, four of the below-horizon CR-like events show anomalous non-inverted polarity, a $\sim 3.2\sigma$ fluctuation if due to background. All anomalous events are from locations near the horizon; ANITA-IV observed no steeply-upcoming anomalous events similar to the two such events seen in prior flights.

研究动机与目标

• 识别并表征ANITA-IV在2016年长期高空飞行任务中探测到的超高能空气簇射事件。
• 区分常规宇宙射线诱导事件与具有意外波形极性的异常事件。
• 研究观测到的异常是否源于背景涨落，或表明超出标准宇宙射线相互作用的新物理。
• 评估地平线下方非反相极性事件的重要性，特别是与以往ANITA任务的对比。

提出的方法

• 通过ANITA-IV在南极上空长期高空飞行期间的无线电天线探测超高能空气簇射产生的无线电脉冲。
• 分析波形极性，以区分预期的反相信号（来自冰面反射的宇宙射线）与异常的非反相信号。
• 将ANITA-IV与以往ANITA任务的事件率和方位分布进行比较，以识别与背景预期的偏差。
• 在背景假设下，使用3.2σ涨落检验对异常事件的显著性进行统计评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 四个地平线下方具有非反相极性的事件是否与南极冰层中已知的宇宙射线相互作用一致？
• RQ2 若将观测到的非反相极性事件归因于背景，其统计显著性如何？
• RQ3 为何ANITA-IV未观测到类似陡峭上升的异常事件，而此前的ANITA任务中曾报告过？
• RQ4 观测到的异常是否可能指示标准宇宙射线簇射模型未涵盖的新物理现象？

主要发现

• ANITA-IV在2016年飞行任务中探测到29个宇宙射线样事件，背景估计为0.37+0.27/-0.17个人工源事件。
• 四个地平线下方的宇宙射线样事件表现出异常的非反相极性，与标准冰面反射模型不一致。
• 若由背景涨落引起，极性异常的显著性约为3.2σ，表明存在显著偏离。
• ANITA-IV未观测到陡峭上升的异常事件，与早期ANITA任务中报告的两个此类事件形成对比。
• 观测到的事件集中在地平线附近，表明异常具有方向性或几何偏好。
• 向上方向未观测到类似事件，表明异常并非由仪器效应或常规背景源引起。