[論文レビュー] Antiproton modulation in the Heliosphere and AMS-02 antiproton over proton ratio prediction

P. Bobík, M. Boschini+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2011

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 28被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、宇宙線のハリオスフェア内における準時間的2次元確率的モデルを提示する。確率微分方程式を用いて反陽子および陽子の輸送をシミュレートする。同一のハリオスフェアパラメータを用いて観測された反陽子対陽子比を良好に再現し、BESS-97およびPAMELAのデータと良好な一致を示し、AMS-02の予測を行う。

ABSTRACT

We implemented a quasi time-dependent 2D stochastic model of solar modulation describing the transport of cosmic rays (CR) in the heliosphere. Our code can modulate the Local Interstellar Spectrum (LIS) of a generic charged particle (light cosmic ions and electrons), calculating the spectrum at 1AU. Several measurements of CR antiparticles have been performed. Here we focused our attention on the CR antiproton component and the antiproton over proton ratio. We show that our model, using the same heliospheric parameters for both particles, fit the observed anti-p/p ratio. We show a good agreement with BESS-97 and PAMELA data and make a prediction for the AMS-02 experiment.

研究の動機と目的

• 太陽の調制効果を考慮した、ハリオスフェア内における宇宙線輸送の準時間的2次元確率的モデルの構築を目的とする。
• 同一のハリオスフェアパラメータを用いて反陽子および陽子の調制をシミュレートし、反陽子対陽子比の整合性を検証することを目的とする。
• BESS-97およびPAMELAが得た反陽子フラックスおよび比の既存実験データに対して、モデルの妥当性を検証することを目的とする。
• AMS-02実験が1 AUで測定する反陽子対陽子比についての予測を提供することを目的とする。

提案手法

• モデルは、粒子輸送をシミュレートするために、確率微分方程式（SDE）を用いてParker方程式を解く。
• SDEには、半径方向および経度方向の拡散、太陽風による対流、断熱的エネルギー損失、磁場勾配および曲率に起因するドリフトが含まれる。
• モデルは、ねじれたハリオスフェア電流面を組み込み、通常のドリフトおよびニュートラルシートドリフトを含み、剛性に依存する拡散係数を用いる。
• 半径方向および経度方向の拡散係数は、平行拡散から導出され、垂直成分は剛性に依存する係数でスケーリングされる。
• 計算効率を最適化するため、時間刻みは $ r^2 $ に比例して選択される。
• 太陽風速度、傾き角、および推定された拡散パラメータ（$ k_0 $）を用いて、1 AUにおける粒子スペクトルをシミュレートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同一のハリオスフェアパラメータが、異なるエネルギー範囲で観測された反陽子対陽子比を同時に再現可能か？
• RQ2 ドリフトおよび拡散効果を含む2次元確率的モデルは、BESS-97およびPAMELAが測定した反陽子フラックスおよび比をどの程度良好に再現するか？
• RQ3 同じ調制条件の下で、AMS-02が1 AUで測定する反陽子対陽子比は予測されるか？
• RQ4 ドリフトおよび対流を含む太陽の調制効果は、反陽子のエネルギースペクトルが陽子に対してどのように影響を及えるか？

主な発見

• モデルは、約60 MeVから約180 GeVのエネルギー範囲において、反陽子対陽子比についてBESS-97およびPAMELAのデータと良好に一致する。
• 同一のハリオスフェアパラメータ（太陽風速度、傾き角、拡散係数 $ k_0 $）が、反陽子および陽子の両方の調制を的確に記述している。
• 通常のドリフトおよびニュートラルシートドリフトの両方を含めることで、観測された経度方向およびエネルギー依存の勾配を再現する能力が著しく向上した。
• モデルは、1 AUにおける反陽子対陽子比が安定しており、予想されるAMS-02測定値と一致することを示し、太陽調制フレームワークの整合性を支持する。
• 極方向に向け拡散係数を可変化させることで、観測された陽子および電子の経度方向勾配をよりよく再現できるようになった。
• シミュレーション結果は、反陽子対陽子比が太陽活動によって強く調制され、粒子の電荷の違いを超えて、調制パラメータにほとんど依存しないということが確認された。