[論文レビュー] Galactic cosmic ray propagation: sub-PeV diffuse gamma-ray and neutrino emission

Bing-Qiang Qiao, Wei Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、チベットAS³実験で観測された1ペビオン未塔の拡散的ガンマ線の起源を、宇宙線伝搬モデルを用いて検討する。観測されたガンマ線と局所的宇宙線測定値との間に矛盾が生じることを明らかにし、銀河系宇宙線が観測された高エネルギーニュートリノフラックスに寄与するのは最大で15%であると結論づける。大多数のニュートリノは銀河間起源であると示唆される。

ABSTRACT

The Tibet ASgamma experiment just reported their measurement of sub-PeV diffuse gamma ray emission from the Galactic disk, with the highest energy up to 957 TeV. These gamma-rays are most likely the hadronic origin by cosmic ray interaction with interstellar gas in the Galaxy. This measurement provides direct evidence to the hypothesis that the Galactic cosmic rays can be accelerated beyond PeV energies. In this work, we try to explain the sub-PeV diffuse gamma-ray spectrum within cosmic rays diffusive propagation model. We find there is a tension between the sub-PeV diffuse gamma rays and the local cosmic ray spectrum. To describe the sub-PeV diffuse gamma-ray flux, it generally requires larger local cosmic-ray flux than measurement in the knee region. We further calculate the PeV neutrino flux from the cosmic ray propagation model. Even all of these sub-PeV diffuse gamma rays originate from the propagation, the Galactic neutrinos only account for less than ~15% of observed flux, most of which are still from extragalactic sources.

研究の動機と目的

• 銀河系ディスクからの最近の1ペビオン未塔の拡散的ガンマ線放射を、宇宙線伝搬モデルを用いて説明すること。
• 観測された1ペビオン未塔のガンマ線フラックスと、約4ペビオンの膝領域における局所的宇宙線測定値との整合性を評価すること。
• IceCubeが観測した拡散的高エネルギーニュートリノフラックスに、銀河系宇宙線伝搬が果たす寄与を評価すること。
• 現在の伝搬モデル（均一拡散およびSDPモデル）が、1ペビオン未塔のガンマ線データと局所的宇宙線スペクトルを同時に再現できるかどうかを検証すること。
• ハドロン的相互作用による銀河系源から寄与しうる観測された宇宙背景ニュートリノフラックスの最大割合を特定すること。

提案手法

• 均一拡散および2種類の空間依存伝搬（SDP）モデルを含む3つの宇宙線伝搬モデルを用いる。
• GALPROPソフトウェアを用いて、ハドロン的相互作用におけるパイオン崩壊に起因するガンマ線およびニュートリノフラックスの宇宙線拡散をシミュレートする。
• 同じハドロン的相互作用から得られるニュートリノスペクトルを計算するためにDRAGONコードを用い、ガンマ線とニュートリノのエネルギー依存比を考慮する。
• 100テビオンから1ペビオンの間の拡散的放射を、チベットAS³実験による測定値とモデル予測のガンマ線フラックスを比較する。
• IceCubeの7.5年分のニュートリノデータ（パワー則指数γ = -2.87）を基準として、銀河系寄与が観測フラックスに与える影響を評価する。
• 局所的宇宙線源の正規化を1ペビオン未塔のガンマ線データに一致させるように調整し、その結果得られるニュートリノフラックスを観測値と比較する。

Fig. 1: Calculation of B/C ratio to obtain the propagation parameters in HD, SDP-A and SDP-B models, with B/C data taken from the AMS-02 measurement (Aguilar et al., 2016 ) .

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の宇宙線伝搬モデルは、銀河系ディスクからの観測された1ペビオン未塔の拡散的ガンマ線フラックスを説明できるか？
• RQ2 1ペビオン未塔のガンマ線データを再現するには、どの程度の局所的宇宙線フラックスが必要か？また、それは膝エネルギー付近の直接測定値とどのように比較されるか？
• RQ3 銀河系宇宙線伝搬は、IceCubeが観測した高エネルギーニュートリノフラックスのどの程度を占めうるか？
• RQ4 伝搬モデルの選択（均一拡散対SDP）が、予測されるガンマ線およびニュートリノスペクトルに与える影響はいかほどか？
• RQ5 1ペビオン未塔のガンマ線観測と局所的宇宙線スペクトルとの間に、伝搬モデルの修正や追加源の必要性を示唆する不整合は存在するか？

主な発見

• SDP-B伝搬モデルが、観測された1ペビオン未塔の拡散的ガンマ線フラックスを最もよく再現するが、その場合、10ペビオン付近の全粒子スペクトルを上回る局所的宇宙線フラックスが必要となる。
• 最も好都合なSDP-Bモデルですら、1テビオン（25° < l < 100°）および100テビオン以上（50° < l < 200°）のエネルギー領域で、観測値に達しないガンマ線フラックスを予測する。
• 銀河系宇宙線伝搬に起因する拡散的ニュートリノフラックスは、観測されたIceCubeフラックスの最大で約15%にとどまり、大多数の高エネルギーニュートリノが銀河間起源であると示唆される。
• SDP-Bモデルでは、直接測定と矛盾する大幅に増強された局所的宇宙線フラックスを必要とし、20テビオン付近でのCR核のスペクトルの緩和（softening）を再現できない。
• 観測された1ペビオン未塔のガンマ線は、伝搬のみでは完全に説明できない可能性があり、ケイガンス・コクーンのような未解明または近接したペビトロンからの寄与が考えられる。
• 1ペビオン未塔のガンマ線観測と局所的宇宙線データとの間の緊張関係は、伝搬モデルの修正（例えば、銀河中心近傍でより硬いスペクトルを維持する）の必要性を示唆する。

Fig. 2: Calculated proton and helium energy spectra in propagation models of HD, SDP-A and SDP-B. The proton and helium data are taken from AMS-02 (Aguilar et al., 2015 , 2017 ) , CREAM-II (Yoon et al., 2017 ) , NUCLEON (Atkin et al., 2017 ) , DAMPE (An et al., 2019 ) and KASCADE (Apel et al., 2013