[論文レビュー] On the Physics Connecting Cosmic Rays and Gamma Rays: Towards Determining the Interstellar Cosmic Ray Spectrum

C. D. Dermer, Justin D. Finke+11 more|arXiv (Cornell University)|Mar 26, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 8被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、フェルミ-LATが測定したガンマ線発光度データを用いて、陽子-陽子衝突によるパイオン崩壊に起因する宇宙線陽子スペクトルを物理的根拠に基づき推定する手法を開発した。中性子パイオン生成の運動学的および断面積モデルを用い、ガンマ線発光度データが、高い精度で銀河系内陽子スペクトルを制約できることを示した。これにより、約6.5 GeVの運動エネルギー未満でスペクトルが硬くなる傾向が明らかになり、PAMELAデータおよび伝搬モデルと整合性を示した。

ABSTRACT

Secondary nuclear production physics is receiving increased attention given the high-quality measurements of the gamma-ray emissivity of local interstellar gas between ~50 MeV and ~40 GeV, obtained with the Large Area Telescope on board the Fermi space observatory. More than 90% of the gas-related emissivity above 1 GeV is attributed to gamma-rays from the decay of neutral pions formed in collisions between cosmic rays and interstellar matter, with lepton-induced processes becoming increasingly important below 1 GeV. The elementary kinematics of neutral pion production and decay are re-examined in light of two physics questions: does isobaric production follow a scaling behavior? and what is the minimum proton kinetic energy needed to make a gamma-ray of a certain energy formed through intermediate pi0 production? The emissivity spectrum will allow the interstellar cosmic-ray spectrum to be determined reliably, providing a reference for origin and propagation studies as well as input to solar modulation models. A method for such an analysis and illustrative results are presented.

研究の動機と目的

• フェルミ-LATが得た高精度なガンマ線発光度測定値を用いて、銀河系内宇宙線陽子スペクトルを特定すること。
• 特にパイオン生成と崩壊を含むハドロン的相互作用が、拡散的銀河ガンマ線放射に与える寄与を評価すること。
• 核断面積の不確実性および運動学的しきい値が、スペクトル逆問題の精度に与える影響を評価すること。
• 1 GeV未満のガンマ線スペクトルにおいて、一次ハドロン的寄与と二次的レプトン的過程（例：ブレムストラール放出）を分離すること。
• 宇宙線起源、伝搬、太陽磁気圏モディュレーションモデルの入力として用いられる、堅牢な銀河系内宇宙線スペクトルの導出フレームワークを提供すること。

提案手法

• フェルミ-LATが測定した、50 MeVから40 GeVのエネルギー範囲における局所銀河間水素（HI）からのガンマ線発光度測定値（誤差は15%未満）を用いる。
• 20 GeV以上のエネルギーでは、Dermer (1986a) と Kamae et al. (2006)/Kachelrieß & Ostapchenko (2012)（QGSJET）の2種類の陽子-陽子断面積を適用する。
• ヘリウム相互作用（p-He、He-p、He-He）の断面積は、Norbury & Townsend (2007) の形式を用い、ヘリウムの割合を数密度で0.1と仮定してスケーリングする。
• ガンマ線放射を中性子パイオン（平均寿命8.3×10⁻¹⁷ sの2光子崩壊経路）の崩壊に起因するものとしてモデル化し、一次ハドロン的および二次的レプトン的寄与を分離する。
• 銀河系内陽子スペクトルのパラメトリックモデル（約6.5 GeVの運動エネルギーで折り返し点を有し、運動量依存のスペクトル指数を有する）を用いて、観測された発光度スペクトルにフィットする。
• 1 GeV未満のエネルギー領域におけるブレムストラール寄与を制約するため、フェルミ-LATの電子/陽電子スペクトルおよびシンクロtron放射データを組み込む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 陽子-陽子衝突における等価パイオン生成は、異なるエネルギーおよび重心系フレームでスケーリング則に従うか？
• RQ2 与えられたエネルギーのガンマ線を中間のπ⁰崩壊を通じて生成するために必要な最小の陽子運動エネルギーは何か？
• RQ3 拡散的銀河ガンマ線発光度データから、銀河系内宇宙線陽子スペクトルをどの程度の精度で再構築できるか？
• RQ4 核断面積の不確実性が、導出された宇宙線スペクトルおよびスペクトル折り返しの解釈に与える影響はどの程度か？
• RQ5 1 GeV未満のガンマ線スペクトルにおいて、二次的レプトン的過程（例：ブレムストラール）がどのように寄与しているか、また一次ハドロン的放射からどのように分離できるか？

主な発見

• ガンマ線発光度から導出された銀河系内陽子スペクトルは、約6.5 GeVの運動エネルギー未満でスペクトルが硬くなる傾向を示しており、伝搬効果およびB/C比と整合的である。
• 6.5 GeV以上の高エネルギー領域における陽子スペクトル指数は、PAMELA測定値（2.82）と一致しており、100 GeVにおけるPAMELAとの相対スケーリング係数は1.3～1.4である。
• 1 GeV未満では、宇宙線電子由来のブレムストラール寄与が顕著であり、低エネルギー発光度スペクトルのフィットには不可欠である。
• 本手法は、直接測定値を除きガンマ線データのみを用いても、直接宇宙線スペクトルを成功裏に再現でき、ヘリウム/陽子比を除いて入力は不要である。
• スペクトル逆問題の結果は断面積モデルに敏感であるが、全体的な不確実性範囲は天体物理学的応用において許容可能な範囲内に収束する。
• 本手法は、自己整合的かつ物理的根拠に基づいた銀河系内宇宙線スペクトルの導出を可能にし、宇宙線起源および伝搬モデルの改善された検証を可能にする。