[論文レビュー] Comment on AMS02 results support the secondary origin of cosmic ray positrons

S. Dado, Arnon Dar|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、銀河間物質（ISM）で生成される二次宇宙線陽電子がAMS-02が測定した陽電子フラックスを説明できるという主張に挑戦する。事前分布に基づく簡略化モデルを用い、エネルギー損失効果を含めた結果、ISM内での二次生成だけでは観測結果と一致しないが、宇宙線源内での生成を加えると、全フラックスは測定データとよく一致し、余剰陽電子の起源が源由来であることを支持する。

ABSTRACT

We present a simple calculation of the flux of secondary positrons produced in the ISM that is based only on priors. Our calculated ISM flux agrees very well with that calculated with the elaborate GALPROP code. It confirms that secondary production of positrons in the ISM by the primary cosmic rays cannot explain the observed sub-TeV flux of CR positrons. Moreover, we show that once energy loss of positrons in source and in the ISM are included, secondary production inside the CR sources plus the ISM does explain the measured near-Earth flux of cosmic ray positrons.

研究の動機と目的

• AMS-02が測定した高エネルギー陽電子フラックスを、宇宙線が銀河間物質（ISM）で衝突することで生成される二次陽電子が説明できるかどうかを検証すること。
• ブレム、カッツ、ワクスマンが提唱したISM由来陽電子の上限が、妥当かどうかを評価すること。
• 宇宙線源内での二次陽電子生成をISM生成と組み合わせた場合、観測されたフラックスを説明できるかどうかを評価すること。
• ISMおよび源内における陽電子のエネルギー損失効果をフラックス計算に組み込むこと。

提案手法

• 事前分布に基づき、スペクトル指数β = 2.7の一次宇宙線核種フラックスを用いた単純な解析的モデルを構築した。
• ISM内での二次陽電子フラックスは、φe⁺(E) ≤ fe⁺ σin(pp) nism c τ φn / (β - 1) という式で計算した。ここで fe⁺ ≈ 7×10⁻³ である。
• エネルギー損失時間スケールは τ = τesc τrad / (τesc + τrad) で計算し、逆コンプトン散乱およびシンクロtron放射による損失から τrad ≈ 10¹⁶ (E/GeV)⁻¹ s を得た。
• 拡散がコルモゴロフ型磁場に従うと仮定し、脱出時間 τesc ≈ 10¹⁵ (E/GeV)⁻¹/³ s を導出した。
• ISMの面密度を全グラマージ X = 8.7 (E/10 GeV)⁻⁰.⁴ g/cm² に置き換え、源およびISMの寄与を含めた全フラックスを再計算した。
• 式（3）から得られたフラックスをAMS-02データと比較した結果、源およびISM両方の生成を含めた場合に良好な一致が得られた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ISM内での二次陽電子生成のみで、10 GeV以上の観測されたAMS-02陽電子フラックスを説明できるか？
• RQ2 ISMおよび宇宙線源内での陽電子エネルギー損失を考慮に入れると、陽電子過剰の起源に関する結論は変化するか？
• RQ3 ブレム、カッツ、ワクスマンが主張するISM由来陽電子の上限は、エネルギー損失を考慮に入れても妥当であるか？
• RQ4 観測された全陽電子フラックスは、宇宙線源内およびISMで発生する二次生成によって説明できるか？
• RQ5 測定された陽電子フラックスを再現するには、宇宙線核種が通過する必要がある全グラマージはどの程度か？

主な発見

• ISM内での二次陽電子フラックスは、AMS-02の測定値と比べて、大きさおよびスペクトル形状の両面で著しく不足している。
• 特に逆コンプトン散乱およびシンクロtron放射による放射損失を含めると、有効なISM内生成フラックスは観測値を下回る。
• 宇宙線源内およびISM内での二次生成を両方考慮した場合、全予測フラックスはAMS-02データと非常に良く一致する。
• B/C比から導かれた全グラマージ X = 8.7 (E/10 GeV)⁻⁰.⁴ g/cm² は、全通過密度の推定値として一貫性があり、正確である。
• 式（3）から得られたフラックスは、源およびISMの寄与を組み込んだ結果、測定された陽電子フラックスと優れた一致を示し、陽電子の二次的起源が宇宙線源由来であることを支持する。
• 本研究は、宇宙線源内で生成される二次陽電子に加え、ISM内での生成およびエネルギー損失効果を組み合わせることで、観測された陽電子過剰を説明できると結論づけた。