[論文レビュー] Constraints on the proton fraction of cosmic rays at the highest energies and the consequences for cosmogenic neutrinos and photons

Domenik Ehlert, A. van Vliet+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、10^18 eV 以上のエネルギーにおける宇宙線の超高エネルギー（UHE）陽子の最大可能フラックスを、拡散ガンマ線およびニュートリノからのマルチメッセンジャ制約を用いて調査している。20 EeV におけるUHECRの約10%までが陽子である可能性があると判明しており、特に陽子の最大エネルギーがGZK限界を超える場合には、宇宙生成ニュートリノおよびガンマ線フラックスが混合組成源からのものよりも顕著に上回り、1 EeV 以上の検出可能なUHEニュートリノフラックスが予測される。

ABSTRACT

Over the last decade, observations have shown that the mean mass of ultra-high-energy cosmic rays (UHECRs) increases progressively toward the highest energies. However, the precise composition is still unknown, and several theoretical studies hint at the existence of a subdominant proton component up to the highest energies. Motivated by the exciting prospect of performing charged-particle astronomy with ultra-high-energy (UHE) protons we quantify the level of UHE-proton flux that is compatible with present multimessenger observations and the associated fluxes of neutral messengers produced in the interactions of the protons. We study this scenario with numerical simulations of two independent populations of extragalactic sources and perform a fit to the combined UHECR energy spectrum and composition observables, constrained by diffuse gamma-ray and neutrino observations. We find that up to of order $10\%$ of the cosmic rays at the highest energies can be UHE protons, although the result depends critically on the selected hadronic interaction model for the air showers. Depending on the maximum proton energy ($E_ ext{max}^ ext{p}$) and the redshift evolution of sources, the associated flux of cosmogenic neutrinos and UHE gamma rays can significantly exceed the multimessenger signal of the mixed-mass cosmic rays. Moreover, if $E_ ext{max}^ ext{p}$ is above the GZK limit, we predict a large flux of UHE neutrinos above EeV energies that is absent in alternate scenarios for the origin of UHECRs. We present the implications and opportunities afforded by these UHE proton, neutrino and photon fluxes for future multimessenger observations.

研究の動機と目的

• 現在のマルチメッセンジャ観測と整合するUHE陽子フラックスの最大許容値を特定すること。
• 高い最大陽子エネルギーを想定した場合に、そのような陽子成分から生じる宇宙生成ニュートリノおよびガンマ線フラックスを評価すること。
• 強子相互作用モデルの選択が、許容可能な陽子分率および関連するマルチメッセンジャ信号に与える影響を評価すること。
• 将来的なUHECR、ニュートリノ、ガンマ線天文観測に、陽子成分の存在が与える意味を検討すること。
• 混合組成源と陽子優勢源の2つの源集団モデルが、UHECRスペクトルおよび組成データに加え、拡散ガンマ線およびニュートリノ制約と整合するかを検証すること。

提案手法

• CMBおよび外部銀河背景光との相互作用を含めた、CRPropa 3 を用いたUHECR伝播のシミュレーション。
• アッジャーおよびテレスコープ・アレイのUHECRスペクトルおよび組成データに、1つの混合組成源集団と1つの陽子優勢源集団を仮定して、2集団フィットを実施。
• 結果のモデル依存性を評価するため、独立した強子相互作用モデル（EPOS-LHC および Sibyll2.3c）を用いる。
• IceCubeの拡散ニュートリノ限界およびFermi-LATの拡散ガンマ線データを用いて、許容可能な陽子源パラメータを制限。
• 陽子源スペクトル指数（γPP）および赤方偏移依存性（mPP）および最大陽子エネルギー（EPP_max）のパラメータースキャンを実施。
• Δχ²を用いたフィット品質の評価を行い、単一集団モデルとの比較により、陽子成分の統計的有意性を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在のUHECR、ガンマ線、ニュートリノ観測と整合する最大のUHE陽子分率は何か？
• RQ2 陽子成分から生じる宇宙生成ニュートリノおよびUHEガンマ線フラックスは、混合組成源からのものと比べてどの程度か？
• RQ3 マルチメッセンジャデータは、陽子源集団の最大陽子エネルギーおよびスペクトル指数にどのような制約を課すか？
• RQ4 EPP_max > 10^20 eV で硬いスペクトルを持つ陽子成分は、現在の観測限界を満たすことができるか？
• RQ5 強子相互作用モデルの選択（例：EPOS-LHC 対 Sibyll2.3c）は、許容可能な陽子分率および派生する信号にどのように影響するか？

主な発見

• 20 EeV における宇宙線のうち、約10%までが陽子である可能性があるが、正確な値は強子相互作用モデルおよび陽子最大エネルギーに依存する。
• 2SC-uhecrモデルでは、20 EeV における最良適合の陽子寄与は 2.4+3.1−0.2% であり、単一集団モデルよりも Δχ² で 3.7σ の有意な改善が得られる。
• 陽子成分からの宇宙生成ニュートリノおよびUHEガンマ線フラックスは、特にEPP_maxが高い状況では、混合組成源からのものよりも支配的になる可能性がある。
• 最大陽子エネルギーがGZK限界（約50 EeV）を超える場合、1 EeV 以上のUHEニュートリノフラックスが顕著に予測され、標準的な混合組成モデルでは観測されない。
• Sibyll2.3c を用いた2SC-dipモデルでは、20 EeV における陽子寄与は 1.1+0.1−1.0% に達するが、Δχ² ≈ 4 のニュートリノ制限により除外される。
• EPP_max ≳10^20 eV の高エネルギー状況は除外されていないが、ニュートリノおよびUHEガンマ線制限を満たすためには、スペクトル指数 γPP ≳1 必要がある。