[论文解读] Variations of the cosmic ray composition at energy above 0.1 EeV as observed by muon detectors of Yakutsk array

A.V. Glushkov, A. Sabourov|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究分析了雅库茨克阵列（1987–2013年）在广延空气簇射（EAS）中μ子的横向分布，以推断能量高于0.1 EeV的宇宙射线（CR）成分。利用能量阈值为1.0×secθ GeV的μ子探测器，发现1996年以后宇宙射线成分从较轻核素向较重核素转变，其中QGSJETII-04模型与数据的符合度最佳，表明在1–20×10¹⁷ eV能量区间内存在向较轻核素转变的迹象，并可能暗示了银河系内与银河系外源之间的过渡。

ABSTRACT

The lateral distribution of muons with ~1.0x\\sec(\ heta) GeV in extensive air showers within ~10^{17}-10^{19} eV energy region obtained during different observational periods from November 1987 to June 2013 has been analyzed. Experimental data have been compared to predictions of various hadron interaction models. The best agreement is observed with QGSJETII-04. Until 1996, the mass composition of cosmic rays with energy below 2x10^{18} eV was significantly lighter than in later periods.

研究动机与目标

• 利用雅库茨克阵列的μ子数据，确定能量依赖的超高能宇宙射线（UHECR）质量成分，能量范围高于0.1 EeV。
• 研究宇宙射线成分的时变特性，特别是1996年后向较重核素转变的特征。
• 评估强子相互作用模型（QGSJET01D、QGSJETII-04）在再现观测到的μ子横向分布方面的表现。
• 评估宇宙射线成分变化对UHECR起源与传播的影响，包括可能的银河系内爆发或向河外源的过渡。

提出的方法

• 利用雅库茨克EAS阵列的地下μ子探测器，测量能量阈值约为1.0×secθ GeV的μ子横向分布。
• 使用600 m处的带电粒子密度（ρs,600）和Molier半径（RM），通过校准关系（1）–（3）估算初生粒子能量，包含大气修正。
• 采用改进的Linsley近似（4），结合与温度和压力相关的Molier半径（5），对带电粒子的横向分布函数（LDF）进行建模。
• 将实验测得的μ子密度（ρμ,300）与QGSJET01D和QGSJETII-04模型的模拟结果进行比较，通过加权函数（10）–（11）推断平均原子序数⟨lnA⟩。
• 利用先前雅库茨克研究中确立的程序（JETPl2012）校准探测器响应与控制系统。
• 将数据分为三个观测时段进行分析：1987–1996年（1996年前）、1996–2000年（过渡期）和2011–2013年（当前状态），以追踪其时序演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 从1987年到2013年，雅库茨克μ子探测结果揭示了能量高于0.1 EeV的宇宙射线质量成分如何演变？
• RQ2 在广延空气簇射中，哪种强子相互作用模型——QGSJET01D还是QGSJETII-04——最能再现观测到的μ子横向分布？
• RQ3 是否存在宇宙射线成分随时间变化的证据，特别是1996年后从较轻核素向较重核素转变的证据？
• RQ4 在不同观测时段，推断的平均原子序数⟨lnA⟩如何随初生粒子能量变化？
• RQ5 观测到的成分演变特征对超高能宇宙射线的起源与传播有何启示？

主要发现

• QGSJETII-04模型在10¹⁷–10¹⁹ eV能量范围内与实验观测的μ子横向分布符合度最佳。
• 1987年至1996年期间，平均原子序数⟨lnA⟩较轻，在10¹⁷ eV能量下为⟨lnA⟩ = 1.0 ± 0.4。
• 1996年后，成分显著变重，在2009–2013年期间10¹⁷ eV能量下⟨lnA⟩ = 3.0 ± 0.4。
• 2009至2013年间，⟨lnA⟩从10¹⁷ eV处的3.0 ± 0.4下降至2×10¹⁸ eV处的0.4 ± 0.4，表明能量升高时成分向较轻核素转变。
• 在能量≥2×10¹⁸ eV时，成分无显著变化，呈现轻微向较重核素转变的趋势，与全球数据集一致。
• 观测到的时序演化支持一种假设：过去曾发生银河系内事件，注入了重核素，随后在更高能量下过渡为较轻的、可能为河外来源的成分。