[論文レビュー] Acceleration and Particle Field Interactions of Cosmic Rays II: Calculations

Abdel Nasser Tawfik, A. Saleh+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2010

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、フェルミ機構を除き、プラズマ場の相互作用に基づく、超高エネルギー宇宙線（UHECR）の一般化された加速モデルを提案する。4種類のドリフト（$\mathbf{E} \times \mathbf{B}$、偏光、曲率、勾配E）のエネルギー増加を計算した結果、時間変動する磁場における勾配Eドリフトが陽子を約10^22 eVまで加速でき、GZKカットオフを上回り、ヒルラス機構と同等の性能を示すことが分かった。

ABSTRACT

Based on the generic acceleration model, which suggests different types of electromagnetic interactions between the cosmic charged particles and the different configurations of the electromagnetic (plasma) fields, the ultra high energy cosmic rays are studied. The plasma fields are assumed to vary, spatially and temporally. The well-known Fermi accelerations are excluded. Seeking for simplicity, it is assumed that the energy loss due to different physical processes is negligibly small. The energy available to the plasma sector is calculated in four types of electromagnetic fields. It has been found that the drift in a time--varying magnetic field is extremely energetic. The energy scale widely exceeds the Greisen-Zatsepin-Kuzmin (GZK) cutoff. The polarization drift in a time--varying electric field is also able to raise the energy of cosmic rays to an extreme value. It can be compared with the Hillas mechanism. The drift in a spatially--varying magnetic field is almost as strong as the polarization drift. The curvature drift in a non--uniform magnetic field and a vanishing electric field is very weak.

研究の動機と目的

• 電磁気的プラズマ場の相互作用を用いて、超高エネルギー宇宙線（UHECR）のフェルミ加速を除く非フェルミ加速機構を調査すること。
• 変化する電磁場配置における、さまざまなプラズマドリフト機構からのエネルギー増加を評価すること。
• プラズマ場の相互作用が、グレーゼン＝ツァツェピン＝クズミン（GZK）カットオフを超えるエネルギーを生じさせられるかどうかを評価すること。
• 偏光ドリフトや勾配Eドリフトを含む、さまざまなドリフト機構の効果をヒルラス機構と比較すること。

提案手法

• Tawfik:2010jhの一般化された加速モデルを適用し、電磁場に空間的および時間的変動があると仮定する。
• 4種類のプラズマドリフトを分析する：$\mathbf{E} \times \mathbf{B}$、偏光、曲率、勾配Eドリフト。
• エネルギー増加は、場の配置と保存則から導かれた一般化形式 $\mathcal{E} = 2q\mathbf{E} \cdot \mathbf{r}$ を用いて計算する。
• 放射（例えば、シンチグラトン、ブレムストラールャン）によるエネルギー損失は無視され、場の相互作用による寄与のみに焦点を当てる。
• 物理的整合性を保つために、磁気流体力学（MHD）の制約条件 $\mathbf{E} \cdot \mathbf{B} = 0$ および $\mathbf{E} = -\mathbf{V} \times \mathbf{B}$ が適用される。
• 質量 $m$ と電荷 $q$ の粒子について数値計算が実施され、初期速度は有限またはゼロと仮定される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェルミ機構を除くプラズマ場の相互作用が、GZKカットオフを超える超高エネルギー宇宙線を生成できるか？
• RQ2 4種類のプラズマドリフト（$\mathbf{E} \times \mathbf{B}$、偏光、曲率、勾配E）の中で、どの機構が宇宙線エネルギー増加に最も寄与するか？
• RQ3 時間変動する磁場におけるエネルギー増加は、ヒルラス機構と比較して、達成可能なエネルギースケールでどの程度優れているか？
• RQ4 電磁場の空間的および時間的変動が、標準モデルを上回る粒子加速をどの程度強化するか？
• RQ5 ファラデーの法則と場のダイナミクスに従い、時間変動する磁場における勾配Eドリフトが10^22 eVオーダーのエネルギーを生じさせられるか？

主な発見

• 時間変動する磁場における勾配Eドリフトが最大のエネルギー増加をもたらし、陽子を約10^22 eVまで加速でき、GZKカットオフ（約10^19.7 eV）をはるかに上回る。
• 時間変動する電場における偏光ドリフトは非常に効果的であり、ヒルラス機構と同等のエネルギースケールに達することができる。
• 空間的に変化する磁場におけるドリフトは、偏光ドリフトとほぼ同等のエネルギー増加を生じさせ、強い加速可能性を示している。
• 電場がゼロの非一様磁場における曲率ドリフトは極めて弱く、数MeVにとどまり、相対論的領域では無視できる。
• $\mathbf{E} \times \mathbf{B}$ドリフトや他の標準的ドリフトは、極端なエネルギーに到達する上で勾配Eドリフトや偏光ドリフトに比べて効果が低いことが分かった。
• エネルギー損失を無視しても、このモデルは、フェルミ加速や特異な物理を仮定せずとも、UHECRのエネルギーを説明できることを示している。