[論文レビュー] Measurements of Cosmic-Ray Proton and Helium Spectra from the BESS-Polar Long-Duration Balloon Flights Over Antarctica

K. C. Kim, A. Horikoshi+23 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 20被引用数 54

ひとこと要約

本論文は、2004年および2007年に南極上空で実施された2回の長時間飛行気球ミッション（BESS-Polar I および II）を通じて、陽子およびヘリウム核の宇宙線スペクトルを高精度で測定した。測定エネルギー範囲は、陽子で0.2–160 GeV、ヘリウムで0.15–80 GeV/nucleonである。主な結果として、10 GV以上の剛性で両スペクトルとも単一のべき乗則でよく記述され、2007年の陽子対ヘリウムフラックス比は、スペクトル指数差ΔγR = −0.086 ± 0.004（統計）± 0.022（系誤差）の単一べき乗則に従い、AMS-02およびPAMELAの結果と整合的である。

ABSTRACT

The BESS-Polar Collaboration measured the energy spectra of cosmic-ray protons and helium during two long-duration balloon flights over Antarctica in December 2004 and December 2007, at substantially different levels of solar modulation. Proton and helium spectra probe the origin and propagation history of cosmic rays in the galaxy, and are essential to calculations of the expected spectra of cosmic-ray antiprotons, positrons, and electrons from interactions of primary cosmic-ray nuclei with the interstellar gas, and to calculations of atmospheric muons and neutrinos. We report absolute spectra at the top of the atmosphere for cosmic-ray protons in the kinetic energy range 0.2-160 GeV and helium nuclei 0.15-80 GeV/nucleon. The corresponding magnetic rigidity ranges are 0.6-160 GV for protons and 1.1-160 GV for helium. These spectra are compared to measurements from previous BESS flights and from ATIC-2, PAMELA, and AMS-02. We also report the ratio of the proton and helium fluxes from 1.1 GV to 160 GV and compare to ratios from PAMELA and AMS-02.

研究の動機と目的

• 南極上空の長時間飛行気球ミッションを通じて、大気圏上部における絶対的宇宙線陽子およびヘリウム核スペクトルを測定すること。
• 2004年と2007年の異なる太陽モジュレーション条件下での陽子およびヘリウムフラックスのエネルギー依存性を調査すること。
• 広い剛性範囲（1.1–160 GV）で陽子対ヘリウムフラックス比を決定し、宇宙線伝搬および源モデルの検証を行うこと。
• 反陽子、陽電子、大気中ミューオンおよびニュートリノなどの二次宇宙線生成物の計算に必要な高精度な入力データを提供すること。

提案手法

• 2004年12月（BESS-Polar I）および2007年における南極上空での長時間飛行気球（LDB）ミッションを実施し、安定した低地磁気カットオフ観測を達成した。
• 高幾何的受容度と低材料バジェットを備えた超伝導スペクトロメータを用い、エネルギー閾値を低減し、粒子識別を向上させた。
• 陽子で0.6–160 GV、ヘリウムで1.1–160 GVの範囲で粒子の剛性（R = pc/Ze）を測定し、フラックスを大気圏上部に補正した。
• 正確な比の決定のため、陽子データをヘリウムのエネルギーチャンネルに再ビニングした。
• 20 GV以上の剛性で陽子対ヘリウムフラックス比を単一べき乗則にフィットし、スペクトル指数差ΔγRを抽出した。
• 結果をATIC-2、PAMELA、AMS-02のデータと比較し、一貫性および太陽モジュレーション効果を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる太陽モジュレーション段階（2004年対2007年）における、宇宙線陽子およびヘリウム核の絶対スペクトル（0.2–160 GeVおよび0.15–80 GeV/nucleon）は、どのように変化するか？
• RQ2 BESS-Polar IおよびIIが測定した陽子およびヘリウムスペクトルは、単一べき乗則からどの程度ずれており、これは宇宙線伝搬モデルにどのような含意を持つか？
• RQ3 陽子対ヘリウムフラックス比は磁気的剛性とともにどのように変化するか？また、太陽モジュレーションおよび二次生成モデルの予測と整合的か？
• RQ4 AMS-02およびPAMELAの結果と比較して、測定されたスペクトルおよび比は、特に高剛性（>10 GV）で整合的か？
• RQ5 陽子対ヘリウム比の観察された剛性依存性は、宇宙線源および加速メカニズムの文脈でどのような意味を持つか？

主な発見

• BESS-Polar I（2004年）および BESS-Polar II（2007年）が測定した陽子スペクトルは、高エネルギー域で顕著な差がなく、最高剛性（160 GV）で相対的偏差が1%未塔であった。
• 陽子およびヘリウムスペクトルの両方が、10 GV以上の剛性で単一べき乗則でよく記述され、陽子のスペクトル指数はγR = −2.84 ± 0.01（統計）± 0.03（系誤差）、ヘリウムのそれはγR = −2.75 ± 0.01（統計）± 0.03（系誤差）であった。
• 陽子対ヘリウムフラックス比は、10 GV以上で単一べき乗則に従い、BESS-Polar IIのスペクトル指数差ΔγR = −0.086 ± 0.004（統計）± 0.022（系誤差）であった。
• 測定された陽子対ヘリウム比は、10 GV以上でAMS-02データと1σ誤差範囲内で整合的であったが、PAMELAの比はわずかに高く、平坦であった。
• 陽子対ヘリウム比の剛性依存性は、20 GV以上でほとんど太陽モジュレーション効果がないことを示し、高エネルギー宇宙線モデルの頑健性を支持している。
• 本結果は、反陽子、陽電子、大気中ミューオンおよびニュートリノなどの二次宇宙線スペクトルのモデリングに不可欠な入力データを提供している。