[論文レビュー] A Markov Chain Monte Carlo technique to sample transport and source parameters of Galactic cosmic rays: II. Results for the diffusion model combining B/C and radioactive nuclei

Antje Putze, L. Derome+1 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Jan 4, 2010

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 93被引用数 83

ひとこと要約

本研究では、B/C比と放射性同位体比（10Be/9Be、26Al/27Al、36Cl/Cl）を用いて、同時に宇宙線輸送および源パラメータを制約するため、マルコフ連鎖モンテカルロ（MCMC）手法を適用した。最良適合の銀河ハローサイズは L = 8⁺⁸₋₇ kpc、局所的な低密度バブル半径は rh = 120⁺²⁰₋₂⁰ pc であり、結果は拡散傾斜指数 δ および局所バブルの減衰効果に敏感であることが判明した。

ABSTRACT

On-going measurements of the cosmic radiation (nuclear, electronic, and gamma-ray) are shedding new light on cosmic-ray physics. A comprehensive picture of these data relies on an accurate determination of the transport and source parameters of propagation models. A Markov Chain Monte Carlo is used to obtain these parameters in a diffusion model. From the measurement of the B/C ratio and radioactive cosmic-ray clocks, we calculate their probability density functions, with a special emphasis on the halo size L of the Galaxy and the local underdense bubble of size r_h. The analysis relies on the USINE code for propagation and on a Markov Chain Monte Carlo technique (Putze et al. 2009, paper I of this series) for the parameter determination. As found in previous studies, the B/C best-fit model favours diffusion/convection/reacceleration (Model III) over diffusion/reacceleration (Model II). A combined fit on B/C and the isotopic ratios (10Be/9Be, 26Al/27Al, 36Cl/Cl) leads to L ~ 8 kpc and r_h ~ 120 pc for the best-fit Model III. This value for r_h is consistent with direct measurements of the local interstallar medium. For Model II, L ~ 4 kpc and r_h is consistent with zero. We showed the potential and usefulness of the Markov Chain Monte Carlo technique in the analysis of cosmic-ray measurements in diffusion models. The size of the diffusive halo depends crucially on the value of the diffusion slope delta, and also on the presence/absence of the local underdensity damping effect on radioactive nuclei. More precise data from on-going experiments are expected to clarify this issue.

研究の動機と目的

• 統計的に堅牢なMCMCフレームワークを用いて、銀河的宇宙線の輸送および源パラメータを特定すること。
• B/C比と放射性同位体データを統合して、銀河的拡散ハローのサイズ L と局所的な低密度バブル半径 rh を制約すること。
• L と rh が拡散傾斜指数 δ および放射性核種に対する局所バブル減衰効果の有無にどのように依存するかを評価すること。
• 主要パラメータの68%信頼水準の包絡線および周辺事後確率密度関数を提供すること。
• 導出されたパラメータが局所間銀河空間の直接測定と整合的であるかを評価すること。

提案手法

• 輸送および源パラメータの事後確率密度関数（PDF）を完全にサンプリングするため、MCMC手法を用いた。
• コンvection、再加速、銀河風を含む拡散モデルを用いて、USINEコードによる宇宙線輸送シミュレーションを実施した。
• IMP7-8、ボイジャー、ACE-CRIS、HEAO-3、CREAMのB/C比データおよび高圧気球および宇宙船ミッションによる同位体比データを用いた。
• MCMC収束を改善するために、K₀ × 50^δ や Vₐ / √(K₀ × 3δ(4−δ²)(4−δ)) のような組み合わせの再定義により、パラメータのデゲネラシーを低減した。
• rh でパrameter化された半径方向の減衰項を放射性核種フラックス計算に組み込み、局所的低密度バブル効果を組み込んだ。
• 周辺事後PDFを用いて、L や rh を含むすべての派生量について、68%および95%信頼水準の包絡線を計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 B/C比と放射性同位体比を同時にフィットする際、最も確率の高い拡散傾斜指数 δ の値は何か？
• RQ2 銀河的ハローのサイズ L と局所的低密度バブル半径 rh の最良適合値および不確実性は何か？
• RQ3 推定されたハローのサイズ L は、δ の値および局所バブル減衰効果の有無にどのように依存するか？
• RQ4 B/C比と放射性同位体比の結果が、同じ物理的パラメータを一貫して制約しているか、その程度はいかほどか？
• RQ5 銀河風や再加速の有無といったモデル仮定を変更した場合、パラメータ制約はどの程度頑健か？

主な発見

• B/C比の解析では、コンベクションと再加速を含むモデルにおいて、最も確率の高い拡散傾斜指数 δ = 0.86⁺⁰.⁰⁴₋₀.⁰⁴ が得られ、高い δ 値が支持された。
• 拡散と再加速のみのモデルでは δ = 0.234⁺⁰.⁰⁰⁶₋₀.⁰⁰⁵ であったが、コンベクションを含むフルモデルが好まれた。
• B/C比と同位体比（10Be/9Be、26Al/27Al、36Cl/Cl）の併合フィットにより、最良適合値として L = 8⁺⁸₋₇ kpc および rh = 120⁺²⁰₋₂⁰ pc が得られた。
• 導出された rh = 120⁺²⁰₋₂⁰ pc は、局所間銀河空間の直接測定と整合的である。
• 拡散と再加速モデルでは、L = 4⁺¹₋₁ kpc および rh = 3⁺⁷⁰₋₃ pc（ゼロと一致）となり、rh に対する制約が弱いことが示された。
• ハローのサイズ L は δ に強く依存する：δ > 0.3 の場合、rh ≈ 100 pc であるが、δ < 0.3 の場合、rh はゼロに向かって低下し、L は小さ remain する。