[論文レビュー] Inferring the local interstellar spectrum of cosmic ray protons from PAMELA data

F. Loparco, Luca Maccione+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2013

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、太陽磁場の不規則性に起因する電荷符号依存のドリフトを含む詳細な太陽モジュレーションモデルを用いて、2006–2009年のPAMELAデータから宇宙線陽子の局所銀河間スペクトル（LIS）を推定している。データは一様で時間に依存しないLISが最もよく適合し、68%信頼区間において拡散的再加速速度 v_A < 12 km/s に強く制約され、Fermi-LAT γ線データおよび単一のべき乗則注入モデルとの整合性が確認された。

ABSTRACT

We take advantage of the cosmic-ray (CR) proton data collected by the PAMELA detector in several campaigns covering the period 2006-2009 to derive the local interstellar CR proton spectrum (LIS), outside the solar system. We describe the propagation of CR protons in the solar system by means of a detailed model of the charge-sign dependent drifts occurring while CRs diffuse in the irregular solar magnetic field. We fit PAMELA data for each year of data taking and find that they are well described by a unique time-independent LIS. We then discuss the consequences of this LIS on galactic propagation models. We find that diffusive reacceleration is strongly constrained, thus confirming previous results derived from different channels.

研究の動機と目的

• PAMELAの多年にわたる陽子データ（2006–2009年）から、局所銀河間スペクトル（LIS）を導出すること。
• 不規則な太陽磁場に起因する電荷符号依存のドリフトをモデル化することで、銀河的伝播と太陽モジュレーションの影響を分離すること。
• 一様で時間に依存しないLISが、異なる太陽活動周期にわたるPAMELAデータを同時に説明できるかどうかを検証すること。
• 推定されたLISを用いて、特に拡散的再加速と対流のパラメータを含む銀河的伝播パラメータを制約すること。

提案手法

• LISの2つのパラメトリックモデル（単一べき乗則：SPL、折り返しべき乗則：BPL）を用い、パラメータ k₀, p₀, α, p_br を含む。
• HelioProp数値コードを用いて、太陽磁場の大型勾配に起因する電荷依存のドリフトを含めた、宇宙線輸送をヘリオスフィア内でシミュレートする。
• 各年のPAMELA陽子スペクトルをベイズ尤度解析を用いてフィットし、太陽モジュレーションパラメータについて周辺化処理を行う。
• PAMELAヘリウムデータとの適合性と、Fermi-LAT γ線から導かれたLISとの整合性を評価する。
• 推定されたLISが単一べき乗則注入スペクトルと整合するかどうかをテストすることで、銀河的伝播にかかる制約を課す。
• BAT（ベイズ分析ツールキット）を用いて、再加速速度（v_A）および対流勾配（dv_C/dz）の事後確率分布を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一様で時間に依存しない宇宙線陽子の局所銀河間スペクトル（LIS）は、2006–2009年の異なる太陽活動段階で収集されたPAMELAデータを同時に説明できるか？
• RQ2 太陽モジュレーションに電荷符号依存のドリフトを含めることで、推定されるLISおよび観測との整合性にどの程度の影響を与えるか？
• RQ3 推定されたLISは、拡散的再加速（v_A）および対流（dv_C/dz）の強度にどの程度の制約を課すか？
• RQ4 推定された陽子LISは、拡散的衝撃加速モデルで予想される単一べき乗則注入スペクトルと整合するか？
• RQ5 PAMELAデータから導かれたLISは、Fermi-LAT γ線観測から得られたものとどのように比較されるか？また、マルチメッセンジャー手法における系貫的誤差にどのような示唆を与えるか？

主な発見

• 一様で時間に依存しない宇宙線陽子の局所銀河間スペクトル（LIS）は、2006–2009年のPAMELAデータに対して非常に良好に適合し、年ごとにわずかな太陽モジュレーションパラメータの調整で十分である。
• 推定されたLISは、単一べき乗則（SPL）モデルにわずかに傾向を示すが、両モデルともデータにほぼ同等に適合する。
• 拡散的再加速は強く制約され、68%信頼区間で v_A < 12 km/s であり、銀河間空間における再加速が弱いことを示している。
• 対流を含めた場合、v_A の上限はわずかに v_A < 20 km/s に上昇するが、対流は dv_C/dz < 25 km/s/kpc に制限される。
• 最良適合モデルは、陽子の注入傾きと同一と仮定した場合、PAMELAヘリウムスペクトルに対しても良好な記述を提供する。
• 導出されたLISは、Fermi-LAT γ線に基づくLISと良好に一致しており、マルチメッセンジャー手法による宇宙線スペクトル決定の補完的かつ整合的であることを確認した。