[論文レビュー] Determining the Spectrum of Cosmic Rays in Interstellar Space from the Diffuse Galactic Gamma-Ray Emissivity

C. D. Dermer, A. W. Strong+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2013

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 24被引用数 12

ひとこと要約

本論文では、フェルミ-LATが測定した銀河系の拡散ガンマ線放射率測定値を用いて、はくちおよびレプトン的ガンマ線生成モデルを用いて、銀間宇宙線陽子および電子スペクトルをベイズ的手法で推定する手法を提示する。主な結果として、PAMELAデータと整合する自己整合的な銀間スペクトルが得られ、約6.5 GeVで4σの有意性を示すスペクトルの折り返し（break）が確認され、1 GeV未満でのブレムストラールーレーションの重要性が裏付けられる。

ABSTRACT

More than 90% of the Galactic gas-related gamma-ray emissivity above 1 GeV is attributed to the decay of neutral pions formed in collisions between cosmic rays and interstellar matter, with lepton-induced processes becoming increasingly important below 1 GeV. Given the high-quality measurements of the gamma-ray emissivity of local interstellar gas between ~50 MeV and ~4 GeV obtained with the Large Area Telescope on board the Fermi space observatory, it is timely to re-investigate this topic in detail, including the hadronic production mechanisms. The emissivity spectrum will allow the interstellar cosmic-ray spectrum to be determined reliably, providing a reference for origin and propagation studies as well as input to solar modulation models. A method for such an analysis and illustrative results are presented.

研究の動機と目的

• フェルミ-LATの高精度なガンマ線放射率測定値を用いて、銀間宇宙線陽子および電子スペクトルを特定すること。
• 直接的な宇宙線測定に依存するのを減らし、ガンマ線放射およびガストレーサーからスペクトルを導出すること。
• はくちおよびレプトン的ガンマ線生成メカニズムがスペクトル推定に与える影響を評価すること。
• 断面積モデル、ガストレーサー、機器応答の不確実性がスペクトル再構築に与える影響を定量化すること。

提案手法

• パラメータ空間を走査するためのベイズフレームワークを用い、宇宙線スペクトルの事後確率分布を計算する。
• モデルによる宇宙線スペクトルを、エネルギーバンド固有の応答行列を介して観測されたガンマ線放射率に結びつける。
• はくち生成断面積には[6]および[11]/[10]の値を用い、p-He、He-p、およびHe-He反応にスケーリングを適用する。
• レプトン的ブレムストラールーレーション寄与は、10 GeV以上のフェルミ-LAT電子データと、3 GeV未満のシンクロtron制約を用いてモデル化する。
• 100 GeV/nucにおけるPAMELAのHe/p比を用いて、ヘリウムと陽子のスペクトル形状が同一であると仮定し、銀間陽子スペクトルを制約する。
• 簡略化されたモデルとして、陽子スペクトルの急激な折り返しをテストするが、より現実的な滑らかな折り返しの検討も進行中である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェルミ-LATの拡散ガンマ線放射率測定値と整合する銀間宇宙線陽子スペクトルは何か？
• RQ2 1 GeV未満の総ガンマ線放射率に占める、宇宙線電子および陽電子由来のブレムストラールーレーション寄与はどの程度顕著か？
• RQ3 はくち断面積モデルの不確実性が、推定された宇宙線スペクトルにどの程度影響を及えるか？
• RQ4 銀間陽子スペクトルに統計的に有意なスペクトル折り返しが存在するか？その位置はどこか？
• RQ5 導出された銀間スペクトルは、PAMELAおよびAMS01の直接測定値とどの程度一致するか？特に10 GeV未満では？

主な発見

• ガンマ線放射率から推定された銀間陽子スペクトルには、約6.5 GeVで4σの有意性を示すスペクトル折り返しが確認された。
• 断面積が[6]の値を用いた場合、6.5 GeV未満では運動量指数が2.5、6.5 GeV以上では2.8である。これはB/C比で観測される伝播効果と整合的である。
• 高エネルギー陽子指数（2.8）は、100 GeV/nucにおけるPAMELAの直接測定値（2.82）と一致する。
• 1 GeV未満での電子および陽子由来のブレムストラールーレーション寄与は、ガンマ線放射率に顕著に寄与しており、スペクトルモデリングに組み込む必要がある。
• 本手法により、高エネルギー領域では直接測定と整合する自己整合的銀間スペクトルが得られたが、10 GeV未満では太陽磁気圏効果の影響によりずれが生じている。
• はくち断面積モデルおよびガストレーサーの不確実性が、誤差予算に顕著に寄与しており、今後の研究においてより改善されたモデルの開発が求められる。