[論文レビュー] Observational constraints on cosmic-ray escape from UHE accelerators

Quentin Luce, Sullivan Marafico+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2022

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、超高エネルギー宇宙線（UHECR）放出における現象論的モデルを、ピエール・オーギュール観測所の全粒子スペクトル、アングル以下の陽子スペクトル、およびシャワー最大深さ分布の観測データを用いて検証する。結果として、銀河間物質密度と一致する空間的源分布がデータを再現でき、核のスペクトル指数が非常に硬い（γ ≈ 0.27）一方で、脱出する陽子のスペクトル指数は著しく軟らかい（γ ≈ 3.54）ことが示され、極端な仮定のもとでも、源内相互作用が頑健なメカニズムであることを支持する。

ABSTRACT

Interactions of ultra-high energy cosmic rays (UHECRs) accelerated in specific astrophysical environments have been shown to shape the energy production rate of nuclei differently from that of the secondary neutrons escaping from the confinement zone. Here, we aim at testing a generic scenario of in-source interactions through a phenomenological modeling of the flux and composition of UHECRs. We fit a model in which nucleons and nuclei follow different particle energy distributions to the all-particle energy spectrum, proton spectrum below the ankle energy and distributions of maximum shower depths above this energy, as inferred at the Pierre Auger Observatory. We obtain that the data can be reproduced using a spatial distribution of sources that follows the density of extragalactic matter on both local and large scales, providing hence a realistic set of constraints for the emission mechanisms in cosmic accelerators, for their energetics and for the abundances of elements at escape from their environments. While the quasi mono-elemental increase of the cosmic-ray mass number observed on Earth from ${\simeq}\: 2\:$EeV up to the highest energies calls for nuclei accelerated with a hard spectral index, the inferred flux of protons down to ${\simeq}\: 0.6\:$ EeV is shown to require for this population a spectral index significantly softer than that generally obtained up to now. We demonstrate that modeling UHECR data across the ankle substantiate the conjecture of in-source interactions in a robust statistical framework, although pushing the mechanism to the extreme.

研究の動機と目的

• ピエール・オーギュール観測所からの観測制約を用いて、UHECR加速環境における一般的な源内相互作用のシナリオを検証すること。
• 観測されたエネルギースペクトルおよび組成の進化—特に約2 EeV以上の質量数の上昇—が、源レベルの相互作用および脱出プロセスによって説明可能かどうかを特定すること。
• 統一された統計モデルを用いて、UHECR加速源からのスペクトル指数、源の全放射度、および元素組成の脱出条件を制約すること。
• 全粒子スペクトル、アングル以下の陽子スペクトル、およびXmax分布の複数の観測量を同時に適合させることで、源内相互作用モデルの頑健性を評価すること。

提案手法

• 核および核種が源で異なるスペクトル指数 γp および γA を持つように、現象論的モデルを構築する。
• 二次の中性子が生成され、自由に脱出・崩壊して観測される陽子フラックスに寄与する源内相互作用をモデルに組み込む。
• 全粒子エネルギースペクトル、アングル以下の陽子スペクトル（log10(E/eV) < 19.0）、および複数のエネルギー領域におけるシャワー最大深さ（Xmax）分布という3つの主要な観測量に適合させる。
• EPOS-LHCおよびSibyll2.3cの強子相互作用モデルを用いて、大気シャワーの発展をシミュレートし、Xmax分布を計算する。
• デバリアンス統計を用いた χ²-尤度適合を実施し、フラックス（J）、陽子スペクトル（Jp）、Xmaxデータのそれぞれに寄与する部分を別々に扱い、合計デバリアンスを最小化することで最適適合パラメータを求める。
• 源の空間的分布を、大規模および局所的な銀河間物質分布に従わせ、物理的に現実的な源の幾何的制約を与える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つのモデルで、全粒子スペクトル、アングル以下の陽子スペクトル、およびXmax分布を同時に再現可能か？
• RQ2 観測データに適合させるために、脱出時の陽子および核のスペクトル指数はそれぞれどの程度必要か？また、標準的な加速モデルと比較するとどうなるか？
• RQ3 銀河間物質密度と一致する源分布が、UHECRデータに対して統計的に頑健な適合を提供するか？
• RQ4 約2 EeV以上の質量数の準単一元素的上昇は、核のスペクトル指数が硬く、陽子のスペクトル指数が軟らかいことと整合的か？
• RQ5 データは、脱出時のUHECR源の放射度および元素組成にどのような制約を課すか？

主な発見

• 源が局所的および大規模な銀河間物質分布に従うモデルは、源の幾何的構造に物理的に現実的な制約を与えるとともに、データを良好に再現する。
• 脱出する陽子の推定スペクトル指数は、通常想定されるよりも著しく軟らかい（γp ≈ 3.54）一方で、核には非常に硬い指数（γA ≈ 0.27）が必要である。
• モデルは観測されたエネルギーに伴う質量数の上昇を良好に再現でき、これは源内相互作用および差分脱出が組成進化を形作る上で重要な要因であることを示している。
• 陽子と核のスペクトル指数を別々に許容する（γp ≠ γA）ことで、共通の指数を仮定した場合に比べてデバリアンスが130単位減少し、統計的に有意な改善が得られた。
• EPOS-LHCの代わりにSibyll2.3cを使用した場合、最適適合パラメータは類似するが、組成のデバリアンスは約20単位増加し、モデルが強子相互作用モデルに敏感であることが示唆された。
• 最適適合モデルは、源内相互作用から生成される二次の中性子が、アングル以下の陽子フラックスに顕著に寄与していることを示唆しており、これは硬い注入にもかかわらず、軟らかい陽子スペクトルが説明可能である。