The cosmic ray energy spectrum between 10(exp 14.5) and 10(exp 16.3) eV covering the knee region

Abstract

The Tibet array is the first air shower detector search for 10 TeV gamma ray point sources. This array also has a high sensitivity to air showers initiated by cosmic rays around the knee of the all particle spectrum at 10(exp 15)-10(exp 16) eV, with quite small ambiguity for the energy estimation, since the development of air showers in this high energy region, is close to maximum at Yangbajing altitude (4300 m above sea level). Using the data set taken with the Tibet array in the period from 1990 October through 1993 July, the differential energy spectrum of primary cosmic rays between 3x10(exp 14) and 2x10(exp 16) eV covering the knee region was obtained. The overall spectrum obtained does not resemble a single power law and shows a gradual steeping of the slope at energies around 10(exp 15.25) eV. The spectrum is expressed as J(E(sub 0)) = 1.5x10(exp -20) (E(sub 0)/10(exp 14.75) eV)(exp -2.60+/-0.04) (m(exp -2)s(exp -1)sr(exp -1)eV(exp -1)) at E(sub 0) less than 10(exp 14.75) eV and J(E(sub 0)) = 1.2x10(exp -23) (E(sub 0)/10(exp 15.85) eV)(exp -3.00+/-0.05) (m(exp -2) s(exp -1) sr(exp -1)eV(exp -1)) at E(sub 0) greater than 10(exp 15.85) eV, where this changes gradually between 10(exp 14.75) and 10(exp 15.85) eV and takes the value J(E(sub 0)) = 6.7x10(exp -22) (m(exp -2) s(exp -1) sr (exp -1) eV(exp -1) at E(sub 0) = 10(exp 15.25) eV.

チベットアレーは10TeVガンマ線点源を探索する最初の空気シャワー検出器である。このアレーは、また、10{15}-10{16}eVの全粒子スペクトラムのKnee付近の宇宙線によって開始される空気シャワー対して、高い感度を持ち、極めて小さい不確定さでエネルギーの見積もりができる。なぜならば、この高エネルギー領域での空気シャワーの発達はYangbajing高度(海面標高4300m)で、最大に近くなるからである。1990年10月から1993年7月までの期間のチベットアレーのデータセットを使って、Knee領域を含む3×10{14}?2×10{16}eVの範囲の１次宇宙線の微分エネルギースペクトラムが得られた。スペクトラム全体は、1つの単純な羃乗則では近似されず、10{15.25}eVあたりのエネルギーで勾配が次第に急になっている。スペクトラムは次のように表現される。E0＜10{14.75}eVでは、J(E0)=1.5×10{-20}(E0/10{14.75}eV){-2.60±0.04}(m{-2}s{-1}sr{-1}eV{-1})、E0＞10{15.85}eVでは、J(E0)=1.2×10{-23}(E0/10{15.85}eV){-3.00±0.05}(m{-2}s{-1}sr{-1}eV{-1})。これは、10{14.75}と10{15.85}eVの間で次第に変化し、E0=10{15.25}eVでは、J0(E0)=6.7×10{-22}(m{-2}s{-1}sr{-1}eV{-1})の値をとる。