Title: Arrival Directions of Ultrahigh Energy Showers Arrival Directions of Ultrahigh Energy Showers
ArXiv ID: 1107.4172
발행일: 2011-07-22
저자: V.A. Kolosov, A.A. Mikhailov
📝 초록 (Abstract)
이 논문은 야쿠츠크, P. Auger 및 AGASA 배열을 사용하여 초고에너지 대기개선(EAS)의 도착 방향을 분석한 결과를 제시한다. 특히, 무온 입자 함유량이 일반적인 EAS와 부족한 EAS의 도착 방향에 대한 두 가지 변형을 고려하였다. 야쿠츠크 데이터는 약 3°의 각도 결정 정확도로 분석되었으며, 입자의 에너지는 약 30%의 정확도로 추정되었다. P. Auger와 AGASA 배열에서는 각각 약 22%, 25%의 에너지 결정 정확도를 가졌고, 단단 각도는 최대 1° 및 1.6°였다.
연구 결과, 야쿠츠크 데이터에서 E > 4.10 x 10^19 eV 이상의 입자들은 천구 전체에 거의 동질적으로 분포되었으나, 오리온 은하 현지 팔 축 근처에서는 집중된 분포가 관찰되었다. 또한, muon 함유량이 부족한 EAS는 은하 평면 위에서 더 많이 관측되었다.
펄사와 고에너지 입자 방향 간의 상관관계를 분석한 결과, 약 3° 및 6° 각도 거리 내에서는 약한 상관관계가 발견되었으며, 특히 E > 8.10^19 eV 범위에서 펄사 주변에 입자가 집중되는 경향이 관찰되었다.
💡 논문 핵심 해설 (Deep Analysis)
이 논문은 고에너지 우주선의 도착 방향 분석을 통해 펄사와의 상관관계를 탐색하고 있다. 연구는 야쿠츠크, P. Auger 및 AGASA 배열에서 수집된 데이터를 활용하여 초고에너지 대기개선(EAS)의 도착 방향을 분석한다.
1. 데이터 분석 방법
논문은 야쿠츠크, P. Auger 및 AGASA 배열의 데이터를 사용하여 고에너지 입자들의 도착 방향을 분석하였다. 특히, 야쿠츠크 데이터는 두 가지 변형으로 나누어 분석되었다: 일반적인 무온 입자 함유량을 가진 EAS와 무온 입자 함유량이 부족한 EAS의 도착 방향이다.
야쿠츠크 배열: 약 3°의 각도 결정 정확도로 분석되었으며, 입자의 에너지는 약 30%의 정확도로 추정되었다.
P. Auger 배열: 입자 에너지의 결정 정확도는 약 22%, 단단 각도는 최대 1°였다.
AGASA 배열: 입자 에너지의 결정 정확도는 약 25%, 단단 각도는 최대 1.6°였다.
2. 분석 결과
야쿠츠크 데이터: E > 4.10 x 10^19 eV 이상의 입자들은 천구 전체에 거의 동질적으로 분포되었으나, 오리온 은하 현지 팔 축 근처에서는 집중된 분포가 관찰되었다.
muon 함유량 부족 EAS: muon 함유량이 부족한 EAS는 은하 평면 위에서 더 많이 관측되었으며, 특히 RA = 60° - 80° 영역에서는 일반적인 muon 함유량 EAS의 최대 분포가 관찰되었다.
3. 펄사와 고에너지 입자 방향 간 상관관계
상관관계 분석: 야쿠츠크 및 P. Auger 데이터를 사용하여 펄사와 고에너지 입자(E > 4.10 × 10^19 eV)의 도착 방향 간 상관관계를 조사하였다.
각도 거리 분석: 각도 거리 <3° 및 6°에서 펄사와 입자 방향 간에 약한 상관관계가 있음을 발견했다. 특히, E > 8.10^19 eV 범위에서는 펄사 주변에 입자가 집중되는 경향이 관찰되었다.
은하 평면 근처의 분포: 은하 좌표 b ~ 0° 및 l ~ 60°, 115°, 130° 주변에서 펄사 집중도가 높게 나타났다.
4. 에너지 범위별 분석
에너지 범위 (0.8-4) × 10^19 eV: 이 범위에서는 입자 수 n의 위도와 아래도의 비율을 계산하여, 기대치보다 많은 입자가 관찰되었다.
조화 분석 결과: 에너지 범위 8.10^19 - 4.10^19 eV에서 조화 함수의 1차 조화의 진폭 A1 = 15.2 ± 4.8% 및 위상 RA = 0°를 관찰했다.
결론
이 논문은 야쿠츠크 데이터(E > 8.10^18 eV)와 P. Auger 데이터(E > 4.10^19 eV)에서 펄사와 고에너지 입자 방향 간의 상관관계를 발견하였다. 특히, 로컬 암의 오리온 팔에서 입자 분포가 최대치를 보였으며, E ~ 10^19 eV 범위의 1차 조화 진폭은 매우 높게 나타났다. 이러한 결과는 펄사가 초고에너지 우주선의 원천일 가능성을 시사한다.
이 연구는 고에너지 입자와 펄사 간의 상관관계를 분석함으로써, 우주선의 원천을 이해하는 데 중요한 단서를 제공하고 있다. 특히, 펄사가 초고에너지 우주선의 주요 원천일 가능성을 제시하며, 앞으로 더 많은 연구와 데이터 수집이 필요하다는 것을 시사한다.
📄 논문 본문 발췌 (Excerpt)
## 초고에너지 대기개선(EAS) 방향 분석: 야쿠츠크, P. Auger 및 AGASA 데이터 연구
우리는 야쿠츠크, P. Auger 및 AGASA 배열의 데이터를 사용하여 고에너지 대기개선(EAS)의 도착 방향을 분석했습니다. 야쿠츠크 데이터 배열의 두 가지 변형을 고려했습니다: 1) 일반적인 무온 입자 함유량을 가진 EAS의 도착 방향, 2) 무온 입자 함유량이 부족한 EAS의 도착 방향입니다.
야쿠츠크 EAS 배열 데이터는 배열 경계 내에 있는 샤워 코어에 대해 각도 결정 정확도가 약 3°인 경우를 분석했습니다. 입자 에너지는 약 30%의 정확도로 추정되었습니다. 세 개의 샤워가 E > 10^20 eV 이상의 에너지를 가졌습니다. P. Auger 데이터로 입자 에너지는 약 22%의 정확도로 결정되었고, 단단 각도는 최대 1°였습니다 [1]. AGASA 데이터로 입자 에너지는 약 25%의 정확도로 결정되었고, 단단 각도는 최대 1.6°였습니다 [2].
HiRes 배열 데이터는 분석하지 않았습니다. 이는 HiRes 배열이 하루 중 어두운 시간에만 운영되고, EAS 등록에 대한 상세한 정보가 없기 때문에 노출을 정의할 수 없었기 때문입니다.
그림 1은 야쿠츠크 배열 데이터로 E > 4.10 x 10^19 eV 이상의 에너지를 가진 입자 34개의 분포를 보여줍니다. 이 지도는 1974년부터 2009년까지의 등고선 노출 지도로, 천구 전체에 대한 예상 샤워 수를 추정하는 방법에 기반합니다 [4]. 등고선 노출 지도에서 동일한 천구 영역에서 동일한 수의 입자가 관찰될 것으로 예상됩니다. 그림 1은 천구 좌표계 두 번째 시스템인 적위(δ)와 적경(RA)에 따른 샤워 분포를 보여줍니다. 거의 동질적인 분포가 관찰되지만, 13개의 EAS는 오리온 은하 현지 팔 축의 각도 45° 미만(b = 0°, l = 90°)의 각도 내에 위치합니다. 이 중 11개의 EAS는 펄사로부터 6° 이내에 위치합니다 [5].
그림 2는 야쿠츠크 배열 데이터로 muon 함유량이 부족한 E > 8.10 x 10^18 eV 이상의 입자 26개의 분포를 보여줍니다. muon 함유량이 부족한 EAS의 분포는 동질적이지 않으며, 은하 평면 위에서 관찰된 EAS의 수는 예상 수보다 많습니다 (b < 30° 영역에서의 n(b < 30°) / n(b > 30°) = 1.9 ± 0.7). 동질적인 경우 이 비율은 1.2가 되어야 합니다 [6]. 이러한 EAS 중 5개의 쌍이 발견되었으며, 그중 4개는 천구 영역 δ = 20° - 75° 및 RA = 60° - 80°에서 위치합니다. 다섯 번째 쌍은 오리온 은하 현지 팔의 입구 근처에 위치하며, 두 개의 EAS로 구성됩니다: 하나에는 muon이 없고 다른 하나는 빈약한 muon을 포함합니다. RA = 60° - 80° 영역에서는 E = 5.10 x 10^18 - 4.10 x 10^19 eV 사이의 에너지를 가진 일반적인 muon 함유량 EAS의 최대 분포가 관찰되었습니다 [7].
더 나아가, 우리는 세계 데이터와 펄사의 도착 방향 간의 상관관계를 분석했습니다. 이를 위해 다음과 같은 방향을 사용했습니다: 1) 배열이 관측 가능한 전체 천구 영역, 2) 오리온 팔의 대규모 정규 자기장 선에 따라 <45° 각도로 기울어진 각도 내에 있는 영역(갈락적 좌표 b = 0°, l = ±90°). 오리온 팔의 자기장 선을 따라 방향을 선택한 이유는 입자가 자기장 선을 따라 이동할 때 최소한의 편향이 발생하기 때문이며, 이는 도착 방향과 펄사 간의 상관관계 확률을 높여줍니다. 각 펄사의 도착 방향과 모든 입자의 각도 차이를 계산했습니다. 확률 P는 몬테카를로 방법을 사용하여 시뮬레이션을 통해 계산되었습니다. 이 시뮬레이션은 실험 데이터에서 결정된 입자 수를 고려하여, 천구 노출에 따라 등고선 노출 영역에 대한 시뮬레이션을 수행했습니다. 시뮬레이션 횟수는 우연 확률이 달성될 때까지 10^6으로 설정되었습니다.
야쿠츠크 (일반 및 부족한 muon 함유량) EAS 데이터와 AGASA 데이터의 E > 4.10 x 10^19 eV 이상의 에너지에 대한 펄사와는 상관관계가 없었습니다.
고에너지 입자 방향과 펄사 간의 상관관계 분석
우리는 P. Auger 관측소와 야쿠츠크 데이터를 이용하여 펄사와 고에너지 입자(E > 4.10 × 10^19 eV)의 도착 방향 간 상관관계를 조사했습니다 (Table 1). 또한, E>(0.8-4) × 10^19 eV 범위의 에너지에서 야쿠츠크 데이터의 일반적인 뮤온과 펄사 간의 상관관계도 확인했습니다 (Table 1). 그 결과, 각도 거리 <3° 및 6°에서 펄사와 입자 방향 간에 약한 상관관계가 있음을 발견했습니다 (Table 1). 이러한 결과는 우리의 이전 연구 [8]를 뒷받침합니다.
야쿠츠크 데이터의 E=(0.8-4) × 10^19 eV 범위에서 각도 거리 R<6°에 위치한 펄사 주변의 입자 수를 분석했습니다 (Fig. 3). 이 분석에서 52개의 펄사가 은하 평면 근처에 위치한다는 것을 확인했습니다. 각도 거리 R<6° 내에서의 펄사 주변 입자 수는 260개(방법 [6]을 통한 예상 입자 수 -200.7)이며, R<3°에서는 -110개(예상 입자 수 -75.8)입니다. 이러한 펄사에서 입자의 각도 거리 분포에 대한 확률은 P < 10^-4 (방법 [6] 참조)로 매우 낮습니다.
에너지 범위 (0.8-4) × 10^19 eV에서 입자 수 n의 위도와 아래도의 비율을 계산했습니다: bn(|b|<30°) / n(|b|>30°) = 1.4 ± 0.09 (방법 [6]을 통한 예상 비율 -1.22). 이 결과는 입자가 기대치보다 많다는 것을 의미하며, 약 2σ의 신뢰 수준에서 통계적으로 유의미합니다.
은하 좌표 b ~ 0° 및 l ~ 60°, 115°, 130° 주변에 펄사 집중도가 높다는 것이 관찰되었습니다 (우리는 이전 연구 [7]에서 이를 보고한 바 있습니다). 이러한 지역은 은하 평면으로부터 직접 입자를 가장 많이 받을 수 있는 위치입니다.
에너지 >10^18 eV의 관측 데이터를 4개의 간격으로 나누었습니다: 1) 10^18 - 5.10^18 eV, 2) 5.10^18 - 8.10^19 eV, 3) 8.10^19 - 4.10^19 eV, 4) >4.10^19 eV. 각 간격에 대한 조화 분석 결과는 Fig. 4에 제시되었습니다. 특히 에너지 범위 8.10^19 - 4.10^19 eV에서 우리는 조화 함수의 1차 조화의 진폭 A1 = 15.2 ± 4.8% 및 위상 RA = 0°를 관찰했습니다. 이 진폭의 확률은 P ~ 0.006 (방법 [9] 참조)입니다. 이 간격에서 관측된 입자 수는 n=898개였습니다.
P. Auger 데이터에서 6개의 펄사(PSR 1332-3032, 1308-4650, 1355-5153, 1405-5641, 1308-5844, 1314-6101)를 식별했습니다. 이 펄사 주변에서 각도 거리 R<6°에 12개의 입자가 관찰되었습니다 (Fig. 5). 이러한 입자 수의 확률은 P < 10^-4로 매우 낮아, 이전 연구 [10] 및 데이터 [11] 결과와 일치합니다.
