[論文レビュー] New Constraints on the Highest-Energy Cosmic-Ray Electrons and Positrons

Matthew D. Kistler, Hasan Yüksel|ArXiv.org|Dec 2, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、大気シャワーにおいて電子とガンマ線が引き起こす電磁シャワーの類似性を活用し、等方的ガンマ線フラックスの上限から、10 TeVを超える領域における宇宙線電子および陽電子フラックスの最初の上限を導出する。近接するパルサー（Geminga や Vela）が高エネルギー電子スペクトルを支配している可能性があり、ダークマターおよび宇宙線伝搬モデルに影響を与える。

ABSTRACT

At energies above a few TeV, no measurements of the cosmic-ray electron spectrum exist yet. By considering the similarity of air showers induced by electrons and gamma rays as seen by ground-based arrays, we use published limits on isotropic gamma-ray fluxes to place first constraints on the >10 TeV electron spectrum. We demonstrate that, due the proximity of known sources, the flux of such electrons (and positrons) can be large. We show how these smoothly connect to lower-energy positrons measured by PAMELA and relate to exciting new indications from Fermi.

研究の動機と目的

• 直接測定が不可能な10 TeVを超える領域における宇宙線電子および陽電子スペクトルの最初の観測的制約を確立すること。
• TeVスケールの電子測定が不足している現状に対し、電子およびガンマ線が引き起こす大気シャワーの類似性を活用すること。
• 近接する高エネルギーパルサーおよび超新星残骸が高エネルギー電子および陽電子フラックスに与える寄与を評価すること。
• PAMELA や Fermi の低エネルギー測定と結びつけて、陽電子過剰の文脈での高エネルギー電子データを検討すること。
• エネルギー損失効果と時間依存輸送を組み込んだモデル化により、電子および陽電子の伝搬を改善し、物理的に不適切な超光速解を回避すること。

提案手法

• 地上ベースの大気シャワー実験（HEGRA, CASA-MIA, GRAPES, KASCADE, Milagro）から発表された等方的ガンマ線フラックス上限を、電子および陽電子フラックスへの制約に翻訳すること。
• 電子とガンマ線が引き起こす電磁シャワーが大気シャワー検出器ではほぼ区別できないという事実を活用し、ガンマ線実験のフラックス上限を電子に適用可能にすること。
• データ内の電磁シャワーの100％が電子によるものであるという保守的仮定を採用し、電子フラックスの上限を導出すること。
• エネルギー損失効果（シンクロtron放射および逆コンプトン散乱）を考慮した時間依存輸送方程式を用いて、銀河内での電子および陽電子の伝搬をモデル化すること。
• Geminga や Vela などの近接パルサー、および Vela SNR や Cygnus Loop などの超新星残骸のモデル予測を、導出されたフラックス上限および既存のデータと比較すること。
• 一次源と二次生成を含むモデルを用いて、観測された陽電子分率および総 $e^+ + e^-$ スペクトルを、伝搬効果を考慮しながらフィッティングすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在のガンマ線フラックス制約を踏まえて、10 TeVを超える宇宙線電子および陽電子フラックスの上限は何か？
• RQ2 Geminga や Vela などの近接パルサーが、GeV〜TeV領域の観測された陽電子過剰をどの程度説明できるか？
• RQ3 エネルギー損失効果と時間依存伝搬が、地球における高エネルギー電子の予測フラックスにどのように影響を与えるか？
• RQ4 Fermi や HESS のデータに見られる特徴（約100 GeVでのスペクトル硬化および約1 TeVでのカットオフ）は、近接源からの寄与によって説明可能か？
• RQ5 超新星残骸およびパルサー風ネbulae は、高エネルギー電子および陽電子をどの程度生成するか？距離と年齢が検出可能性に与える影響は？

主な発見

• 著者らは、HEGRA, CASA-MIA, GRAPES, KASCADE 実験からの等方的ガンマ線フラックス上限を用いて、10 TeVを超える宇宙線電子および陽電子フラックスの新たな上限を導出した。
• 得られた上限は、低エネルギー測定と同等の競争力を持ち、Geminga や Vela のような近接で高エネルギーの電子源の存在に敏感である。
• モデル化により、近接パルサー（Geminga）が、そのスピンダウンエネルギーの約40％を $e^+e^-$ ペアに変換することで、GeV領域の観測された陽電子過剰と整合する電子および陽電子フラックスを生成できることを示した。
• パルサー支配のモデルでは陽電子分率が約50％で飽和するが、超新星残骸は二次加速が発生しない限り、主に電子成分に寄与する。
• エネルギー損失効果を時間依存輸送モデルに組み込むことで、電子伝搬における物理的に不適切な超光速解を排除した。
• 今後の実験（月の影を利用した手法や直接的大気シャワー検出）により、10〜100 TeV領域を探索可能であり、高エネルギーガンマ線観測と宇宙線電子スペクトルを結びつける可能性がある。