[論文レビュー] Neutron-Proton-Conversion Acceleration at Subphotospheres of Relativistic Outflows

Kazumi Kashiyama, Kohta Murase+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、光球面下半径における相対論的衝撃波における中性子-陽子変換メカニズムが、特に放射体媒した衝撃波において粒子加速の原因であると提案している。テスト粒子モデルを用いて、多数の核子がギガエレクトロン・テラエレクトロン（GeV–TeV）エネルギーに加速可能であることを示している。これにより、高エネルギーニュートリノの検出可能性が向上する。

ABSTRACT

We study a type of particle acceleration that operates via neutron-proton conversion in inelastic nuclear collisions. This mechanism can be expected for relativistic shocks at subphotospheres if relativistic outflows contain neutrons. Using a test-particle approximation, we numerically calculate the energy spectrum and the efficiency of accelerated particles, and show that a good energy fraction of the nucleons can be accelerated. This mechanism may especially be relevant if the shock is radiation-mediated, and it would enhance the detectability of GeV-TeV neutrinos.

研究の動機と目的

• 相対論的流れ内における不完全核反応による中性子-陽子変換による粒子加速を調査すること。
• 光球面下における相対論的衝撃波内での核子のエネルギースペクトルおよび加速効率を評価すること。
• 放射体媒した衝撃環境におけるこのメカニズムの関連性を評価すること。
• このような天体的源からの検出可能な高エネルギーニュートリノ放射を強化する可能性を特定すること。

提案手法

• 粒子の軌道およびエネルギー増加をシミュレートするために、テスト粒子近似が用いられている。
• 相対論的流れを伴う中性子と陽子間の不完全核反応をモデルに組み込んでいる。
• さまざまな衝撃条件の下で、エネルギースペクトルおよび加速効率を数値的に計算している。
• 光学厚さ効果および放射場が顕著な光球面下領域に焦点を当てている。
• 加速効率に与える影響を評価するために、放射体媒した衝撃の役割を明示的に考慮している。
• 中性子-陽子変換プロセスを可能にするために、流れ内に自由中性子が存在すると仮定している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光球面下半径における相対論的衝撃波内での不完全核反応による中性子-陽子変換は、核子を効率的に加速できるか？
• RQ2 このメカニズムによって生成される粒子のエネルギースペクトルおよび加速効率はいかほどか？
• RQ3 衝撃波における放射体媒が、加速粒子の効率およびスペクトル形状に与える影響は何か？
• RQ4 このメカニズムは、検出可能なGeV–TeVニュートリノの生成をどの程度強化できるか？
• RQ5 相対論的流れのどのような条件下で、この加速メカニズムが最も効果的か？

主な発見

• 光球面下における相対論的衝撃波内での中性子-陽子変換により、多数の核子がGeV–TeVエネルギーに加速可能である。
• 放射体媒した衝撃波では加速効率が向上し、追加のエネルギー移動メカニズムが提供される。
• 得られる粒子エネルギースペクトルは、観測可能な高エネルギーニュートリノ放射と整合的であり、検出可能性の向上が期待される。
• この加速メカニズムが機能するためには、流れ内に自由中性子が存在することが不可欠である。
• モデルは、このプロセスが天体的源で観測される高エネルギーニュートリノフラックスに顕著な寄与をすると予測している。
• 中性子の豊富さと衝突率が高い密度の高い光球面下衝撃領域で、このメカニズムは最も効果的に作用する。