[論文レビュー] Cosmic-ray Antimatter

Kfir Blum, Ryosuke Sato+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、AMS-02などの宇宙実験による宇宙線反物質測定の理論的枠組みを提供し、宇宙線が星間ガスと衝突することで生成される二次生成物が、反陽子および陽電子の観測フラックスを説明することを示している。また、校正済みの伝搬モデルを用いることで、$\/bar{d}$ や $^{3}\overline{He}$ などの複合反核種を高い精度で予測可能であることが示され、将来的な検出が新しい物理学の探査や天体物理学的源の制約に役立つことが可能となる。

ABSTRACT

In recent years, space-born experiments have delivered new measurements of high energy cosmic-ray (CR) $\bar p$ and $e^+$. In addition, unprecedented sensitivity to CR composite anti-nuclei anti-d and anti-He is expected to be achieved in the near future. We report on the theoretical interpretation of these measurements. While CR antimatter is a promising discovery tool for new physics or exotic astrophysical phenomena, an irreducible background arises from secondary production by primary CR collisions with interstellar matter. Understanding this irreducible background or constraining it from first principles is an interesting challenge. We review the attempt to obtain such understanding and apply it to CR $\bar p,\, e^+,$ anti-d and anti-He. Based on state of the art Galactic cosmic ray measurements, dominated currently by the AMS-02 experiment, we show that: (i) CR $\bar p$ most likely come from CR-gas collisions; (ii) $e^+$ data is consistent with, and suggestive of the same secondary astrophysical production mechanism responsible for $\bar p$ and dominated by proton-proton collisions. In addition, based on recent accelerator analyses we show that the flux of secondary high energy anti-He may be observable with a few years exposure of AMS-02. We highlight key open questions, as well as the role played by recent and upcoming space and accelerator data in clarifying the origins of CR antimatter.

研究の動機と目的

• AMS-02などの宇宙ベース実験による最新の高精度な宇宙線反物質測定を解釈すること。
• 安定した二次核種をキャリブレーションツールとして用いることで、モデルに依存しない二次反物質フラックスの予測手法を確立すること。
• 宇宙線の二次生成が、$\bar{p}$, $e^+$, $\bar{d}$, および $^{3}\overline{He}$ の観測フラックスをどの程度説明できるかを評価すること。
• AMS-02の観測期間数年以内に、二次 $^{3}\overline{He}$ の検出にどの程度感度があるかを評価すること。
• $e^+$ データの宇宙線伝搬への影響を明確にし、ダークマターまたはパルサー信号の可能性を検討すること。

提案手法

• 宇宙線伝搬モデルのキャリブレーションに、B/C比をプロキシとして用い、現象論的仮定への依存を低減する。
• 「グラマージ」の概念を適用し、宇宙線が通過する星間物質の総量を計算することで、反物質フラックスのパrameter-free予測を可能にする。
• 放射エネルギー損失を考慮した、$e^+$ の損失抑制係数 $f_{e^+}$ を、リークボックスモデルおよび拡散モデルの両方で導出する。
• rigidityに依存する脱出時間 $t_{\rm esc}(\mathcal{R})$ を用い、伝搬時間と列密度 $X_{\rm esc}(\mathcal{R})$ の関係を $X_{\rm esc} \propto t_{\rm esc}$ で結びつける。
• 加速器実験データを用いて、$^{3}\overline{He}$ の二次生成断面積を制限し、フラックス予測を可能にする。
• モデル予測の $\bar{p}/p$ および $e^+$ とAMS-02データを比較し、二次生成との整合性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙線反陽子の観測フラックスは、星間ガスとの陽子-陽子衝突による二次生成で説明可能か？
• RQ2 宇宙線における陽電子過剰は、二次生成と整合するか、それともパルサーまたはダークマターのような一次源を必要とするか？
• RQ3 AMS-02で二次 $^{3}\overline{He}$ フラックスをどの程度の期間で測定できるか、またいつごろか？
• RQ4 B/Cなどの安定した二次核種を用いたキャリブレーションにより、反物質フラックス予測はどの程度頑健か？
• RQ5 放射エネルギー損失は $e^+$ フラックスをどの程度抑制するか？また、これにより伝搬モデルの解釈にどのような影響を与えるか？

主な発見

• 観測された反陽子フラックスは、陽子-陽子衝突による二次生成と整合しており、新たな物理学を要する顕著な過剰は認められない。
• 陽電子データは、陽子-陽子衝突による二次生成と整合しており、パルサーやダークマターのような一次源を必要としない。
• 最近の加速器データを踏まえ、AMS-02の数年の観測期間で二次 $^{3}\overline{He}$ フラックスが観測可能であると予測される。
• B/C比をキャリブレーションツールとして用いることで、$\bar{p}/p$ の比は高い精度で予測可能であり、伝搬モデルの不確実性が最小限に抑えられる。
• $e^+$ の損失抑制係数 $f_{e^+}$ はモデルに依存するが、リークボックスモデルおよび拡散モデルの両方で、強い損失領域では共通のスケーリング $f_{e^+} \propto \sqrt{t_{\rm cool}/t_{\rm esc}}$ を示す。
• グラマージの概念により、反物質フラックスのパrameter-free予測が可能となり、詳細な伝搬仮定から結果が分離される。