[論文レビュー] New calculation of radioactive secondaries in cosmic rays

I. V. Moskalenko, S. G. Mashnik+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2001

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 11

ひとこと要約

本論文では、CEM2kコードおよび実験データから得た改善された核反応断面積を用いた更新されたGALPROPモデルを用いて、放射性二次宇宙線核種の新たな計算が行われた。生産断面積の制約が強化されたことで、ハローサイズの不確実性が低減され、26Al/27Alに対して3.5–6 kpc、36Cl/Clに対して4–15 kpc、54Mn/Mnに対して3–7 kpcの一貫性のあるハローサイズの上限が得られた。これらはすべて、従来のBeに基づく推定と整合的であり、以前の不一致は主に断面積の不正確さに起因していたと結論づけた。

ABSTRACT

We use a new version of our numerical model for particle propagation in the Galaxy to study radioactive secondaries. For evaluation of the production cross sections we use the Los Alamos compilation of all available experimental cross sections together with calculations using the improved Cascade-Exciton Model code CEM2k. Using the radioactive secondary ratios 26Al/27Al, 36Cl/Cl, 54Mn/Mn, we show how the improved cross-section calculations together with the new propagation code allow us to better constrain the size of the CR halo.

研究の動機と目的

• 放射性二次核種の核反応断面積を改善することで、宇宙線伝搬モデルの不確実性を低減すること。
• 更新された断面積と新しいバージョンのGALPROP伝搬コードを用いて、はるかに正確な銀河的宇宙線ハローのサイズを制約すること。
• 従来の不正確な断面積に起因するとされていたハローサイズ推定値の不一致を、実験データとCEM2kモデルを用いて解消すること。
• 包括的な実験的断面積データベースを統合することで、26Al/27Al、36Cl/Cl、54Mn/Mnの放射性核種比の予測精度を向上させること。
• ACE、Ulysses、Voyagerの観測データと比較することで、確率的再加速モデルの妥当性を検証すること。

提案手法

• 3次元空間グリッド機能を備えた新規に再実装されたC++版GALPROPコードを用い、高速計算のための2次元オプションも利用した。
• Los AlamosのT16実験的断面積コンパイレーションとCEM2kで計算された生成断面積を統合し、必要に応じてデータに一致するよう再正規化した。
• 全非弾性断面積の計算にCROSECコードを用い、64NiからA=1までを下位から上位へ順次解く核反応ネットワークを解いた。
• 確率的再加速（SR）モデルを用いて宇宙線伝搬を解析し、B/Cデータに適合するようハロー厚さ（zh）を調整し、安定核種比に一致するよう源組成を調整した。
• 力場近似を用いて太陽系内モodulationを適用し、モデル予測をACE、Ulysses、Voyagerの観測データと比較した。
• 空間的に分解能のあるグリッド上で伝搬方程式を反復的に解くことで、二次、三次、それ以上の高次核種を自動的に計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CEM2kと実験データから得た改善された核断面積は、宇宙線における放射性二次核種比の予測にどのような影響を与えるか？
• RQ2 核断面積の不確実性が、導出された銀河的ハローサイズ推定値の不一致にどの程度寄与しているか？
• RQ3 更新された断面積と伝搬物理を備えた新しいGALPROPモデルは、ACEおよびUlyssesの観測データから得られた26Al/27Al、36Cl/Cl、54Mn/Mn比をよりよく再現できるか？
• RQ4 断面積の不確実性を最小限に抑えた場合、銀河的宇宙線ハローのサイズにどのような制約が得られるか？
• RQ5 従来のWebberら（1990）の断面積コードとB/Cデータに基づいた推定値と比較して、新しいハローサイズの上限はどのように異なるか？

主な発見

• 新しい断面積計算により、1–10 GeV/nのエネルギー領域において、26Al、36Cl、54Mnの生成に関するモデル予測と実験データの乖離が著しく低減された。
• 26Al/27Al比の予測は、ハローサイズの制約として3.5–6 kpcをもたらし、従来のB/Cに基づく推定（1.5–6 kpc）と整合的である。
• 36Cl/Cl比は4–15 kpcのハローサイズ範囲を示し、元素組成の誤差による大きな不確実性があるが、他の核種と整合的である。
• 1 GeV/nucleon未満でほぼ平坦な54Mn/Mn比は、モodulation依存性が最小限であり、ハローサイズが3–7 kpcであることを支持する。
• ACEデータとUlyssesの元素組成を組み合わせた場合、26Al、36Cl、54Mn、Beの4つの放射性核種比すべてが、3–6 kpcの一貫性のあるハローサイズ制約を示した。
• 解析により、従来のハローサイズ推定値の大きな分散は、主に核断面積の不正確さに起因しており、物理的モデルの限界によるものではないと確認された。