[論文レビュー] Galactic Cosmic Ray Nuclei as a Tool for Astroparticle Physics

D. Maurin, R. Taillet+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2002

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 4被引用数 44

ひとこと要約

本稿では、銀河風、再加速、エネルギー損失を組み込んだ半解析的2ゾーン拡散モデルを提示し、100 MeV/nuc から 100 GeV/nuc の範囲における宇宙線核の伝搬を定量的に記述する。B/C比を主な制約条件として用いることで、二次的反プロトンおよび反ヘリウム核のフラックスを成功裏に予測し、原始的ブラックホールの存在割合に制限を設け、超対称的ダークマター や蒸発するブラックホールといった異常な源の検出に反ヘリウム核が有望な検出チャネルであると示している。

ABSTRACT

Cosmic Ray nuclei in the energy range 100 MeV/nuc - 100 GeV/nuc provide crucial information about the physical properties of the Galaxy. They can also be used to answer questions related to astroparticle physics. This paper reviews the results obtained in this direction, with a strong bias towards the work done by the authors at {\sc lapth}, {\sc isn} and {\sc iap}. The propagation of these nuclei is studied quantitatively in the framework of a semi-analytical two-zone diffusion model taking into account the effect of galactic wind, diffuse reacceleration and energy losses. The parameters of this model are severely constrained by an analysis of the observed B/C ratio. These constraints are then used to study other species such as radioactive species and light antinuclei. Finally, we focus on the astroparticle subject and we study the flux of antiprotons and antideuterons that might be due to neutralino annihilations or primordial black hole evaporation. The question of the spatial origin of all these species is also addressed.

研究の動機と目的

• 2ゾーン拡散フレームワークを用いて、銀河内における宇宙線核伝搬の定量的で物理的根拠のあるモデルを構築すること。
• 主に観測的基準として用いられるB/C比を用いて、伝搬パラメータ（特に拡散、再加速、銀河風）を制約すること。
• キャリブレーション済みモデルを用いて、二次的および異常な宇宙線種（反プロトンおよび反ヘリウム核を含む）のフラックスを予測すること。
• 宇宙線の空間的起源を調査し、超対称性や原始的ブラックホールの蒸発といったアストロパーティクル物理学への影響を評価すること。
• AMS実験の感度を用いて、原始的ブラックホール蒸発に起因する反ヘリウム核の検出可能性を評価し、ダークマターや初期宇宙物理学を探索する新しい窓を提供すること。

提案手法

• 銀河風、再加速、エネルギー損失を組み込んだ半解析的2ゾーン円筒型拡散モデルを用いて、宇宙線伝搬を記述する。
• 空間的拡散、対流、再加速、および宇宙線が星間物質と相互作用する際のエネルギー損失を含む、完全なフォッカー・プランク型伝搬方程式を適用する。
• HEAO-3のB/C測定値を用いてモデルパラメータをキャリブレーションし、許容領域を特定するために部分的および完全なパラメータ空間探索を実施する。
• 核分裂断面積、放射性崩壊（βおよび電子捕獲）、二次生成プロセスを組み込み、反プロトンや反ヘリウム核などの二次種をモデル化する。
• 局所的バブルの伝搬への影響を評価し、さまざまな種類の宇宙線（特に異常な源を含む）の地球到達フラックスをモデルで予測する。
• ハロ厚さ、凝集運動量、PBH密度のパラメータ空間をシミュレートすることで、AMS実験の感度を用いて、原始的ブラックホール蒸発に起因する反ヘリウム核の検出可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測された宇宙線のB/C比を最もよく説明する伝搬パラメータ（拡散、再加速、風）は何か？
• RQ2 キャリブレーション済みの伝搬パラメータは、二次的反プロトンおよび反ヘリウム核のフラックスにどのように影響を与えるか？
• RQ3 原始的ブラックホール蒸発に起因する反ヘリウム核の検出可能なフラックスレベルは何か？ また、背景と区別可能か？
• RQ4 反プロトンフラックスの上限を用いて、原始的ブラックホールの局所的密度および分布にどのような制限を設けられるか？
• RQ5 超対称的ダークマターや原始的ブラックホールといった異常な源の検出において、反ヘリウム核は反プロトンよりもより有望なシグナルであると言えるか？

主な発見

• B/C比を用いたモデルの伝搬パラメータの制約は成功裏に終了し、二次的反プロトンおよび反ヘリウム核フラックスの予測が一貫している。
• モデルが予測する反プロトンフラックスは観測データと良好に一致しており、伝搬フレームワークの妥当性が裏付けられている。
• 原始的ブラックホール蒸発に起因する反ヘリウム核フラックスはAMSで検出可能であり、現在の上限を6倍改善する感度が得られる。
• 反ヘリウム核の検出は、数GeV未満で天体物理学的背景が低いため、異常な源の明確なプローブとして有望である。
• モデルは、インフレーション理論やダークマター状況に影響を及ぼす、宇宙論的に意味のある原始的ブラックホールの存在割合の上限を設定している。
• PBHからの検出可能な反ヘリウム核シグナルのパラメータ空間がマップされ、AMSがハロ厚さ（1–15 kpc）、凝集運動量（60–285 MeV/c）、局所的PBH密度（10⁻³⁵–10⁻³¹ g cm⁻³）の平均値において信号を検出可能であることが示された。