[論文レビュー] HERMES: a Monte Carlo Code for the Propagation of Ultra-High Energy Nuclei

Manlio De Domenico, Haris Lyberis+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 14被引用数 3

ひとこと要約

HERMES は、超高エネルギー（UHE）核（10^16–10^22 eV）が銀河間および銀河磁場を通過する際の伝播をシミュレートする新規のモンテカルロコードであり、銀河間背景放射との相互作用も考慮している。このコードは、実際のフラックス、GZK ゴールドの境界、到達方向分布のモデリングを可能にし、質量組成およびエネルギースペクトル解析のためのコミュニティ利用を想定した安定版公開が計画されている。

ABSTRACT

Although the recent experimental efforts to improve the observation of Ultra-High Energy Cosmic Rays (UHECRs) above $10^{18}$ eV, the origin and the composition of such particles is still unknown. In this work, we present the novel Monte Carlo code (HERMES) simulating the propagation of UHE nuclei, in the energy range between $10^{16}$ and $10^{22}$ eV, accounting for propagation in the intervening extragalactic and Galactic magnetic fields and nuclear interactions with relic photons of the extragalactic background radiation. In order to show the potential applications of HERMES for astroparticle studies, we estimate the expected flux of UHE nuclei in different astrophysical scenarios, the GZK horizons and we show the expected arrival direction distributions in the presence of turbulent extragalactic magnetic fields. A stable version of HERMES will be released in the next future for public use together with libraries of already propagated nuclei to allow the community to perform mass composition and energy spectrum analysis with our simulator.

研究の動機と目的

• 超高エネルギー（UHE）核の磁場を伴う宇宙論的環境内での伝播をシミュレートする、柔軟でモジュラーなモンテカルロコードの開発。
• 定期的および乱流成分を含む銀河間および銀河磁場の影響を、UHECR の軌道にモデル化すること。
• 宇宙背景放射（CMB、CIOB、URB）の残響光子との核反応および二次粒子生成を組み込むこと。
• さまざまな宇宙物理学的シナリオ下での観測可能な量（フラックス、GZK ゴールド境界、到達方向分布）の推定。
• UHECR 組成およびスペクトル解析のためのコミュニティ全体での利用を想定した、公開・安定版の HERMES の提供。

提案手法

• HERMES は、調整可能な宇宙論的パラメータを有する ΛCDM 宇宙論フレームワーク内での Friedmann-Robertson-Walker 度様を用いる。
• ソースの注入は、カスタマイズ可能な全放射度、スペクトル指数（γ）、赤方偏移の進化（例：SFR、GRB、AGN、QSO、または (1+z)^m 形式）によりモデル化される。
• コードは、2.725 K の宇宙マイクロ波背景（CMB）と、Finke らのモデルによる赤外/可視背景（CIOB）、赤方偏移の進化を伴う一般化された電波背景（URB）を組み込む。
• 荷電粒子の軌道は、相対論的運動方程式の数値積分により計算され、軽い粒子のサイクロトロンエネルギー損失も含む。
• 乱流磁場は、Giacalone と Jokipii（1999）の局所的ステップバイステップ法に基づきシミュレートされ、r.m.s. 強度およびコherー二ティ長にはコルモゴロフ型統計が適用される。
• 核反応は、残響光子上の光分解および光吸収断面積を用いてモデル化され、二次粒子生成も含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる宇宙物理学的ソース分布および進化モデル下で、地球における UHE 核の期待フラックスは何か？
• RQ2 異なる核種およびソースの赤方偏移に対して、GZK ゴールド境界はどのように変化するか？
• RQ3 乱流銀河間磁場が存在する中で、近接ソースからの UHECR の到達方向分布は予測されるか？
• RQ4 等方的汚染（例：Pierre Auger 測定に基づく 56%）およびソースカタログ（例：2MRS、SWIFT-BAT）は、UHECR のシミュレートされた天の川マップにどのように影響を与えるか？
• RQ5 観測露出関数と結合した場合、HERMES は観測された UHECR スペクトルおよび非均一性をどの程度正確に再現できるか？

主な発見

• HERMES は、UHE プロトンの生存確率およびそれによる GZK ゴールド境界のシミュレーションに成功しており、核の質量およびソースの赤方偏移に依存することが判明した。
• ソースの進化および異なる注入指数を含むさまざまな宇宙物理学的シナリオ下で、UHECR の期待フラックスおよびエネルギースペクトルが正確に再現され、HiRes 測定と同等の結果が得られた。
• 近接ソース（4–200 Mpc）からの UHE プロトンのシミュレートされた天の川マップは、銀河間磁場による顕著な偏移を示し、2MRS および SWIFT-BAT ソースカタログで異なるパターンが観察された。
• Pierre Auger 測定に基づく 56% の等方的イベントを組み込むことで、到達方向分布の分布が変化し、コードが背景汚染に敏感であることが示された。
• HERMES は、Pierre Auger 觀測所の非一様露出効果を天の川マップに適切に反映させることで、到達方向非均一性の現実的なモデリングを可能にした。
• コードはモジュラーかつ拡張可能であり、更新されたデータに基づく背景放射または核反応の新しいモデルの統合が可能である。