[論文レビュー] Propagation of UHECRs in cosmological backgrounds: some results from SimProp

Roberto Aloisio, Denise Boncioli+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、宇宙背景放射場における超高エネルギー宇宙線（UHECR）の銀河間伝播を1次元モンテカルロコードとしてシミュレートする SimProp v2r1 を提示する。写真崩壊およびパイオン生成の改善された取り扱いを組み込み、主な結果として、混合組成の天体的シナリオにおけるニュートリノフラックスは、純粋な陽子モデルと比べて数個のオーダー低くなることが示され、GZKカットオフを超えるエネルギーにまで及ぶ源スペクトルがない限り、検出可能なUHEニュートリノフラックスは得られないと示唆する。

ABSTRACT

Ultra-High-Energy Cosmic Ray (UHECR) nuclei propagating in cosmological radiation backgrounds produce secondary particles detectable at Earth. SimProp is a one dimensional code for extragalactic propagation of UHECR nuclei, inspired by the kinetic approach of Aloisio et al. As in this approach, only a subset of nuclei and nuclear channels are used as representative. We discuss the validation of the code and present applications to UHECR experimental results. In particular we present the expected fluxes of neutrinos produced in some astrophysical scenario.

研究の動機と目的

• 宇宙背景放射場におけるUHECR伝播を高速かつ正確にシミュレートする1次元コードの開発を目的とする。
• 核の写真崩壊およびパイオン生成プロセスの取り扱いの改良を通じ、元の SimProp v2r0 に基づく妥当性の検証と改善を目的とする。
• 純粋な陽子モデルと混合組成モデルを含む、さまざまな天体的注入シナリオにおける地上での期待されるニュートリノフラックスを計算・比較することを目的とする。
• 現実的な源組成およびスペクトルカットオフの仮定に基づき、UHEニュートリノの検出可能性を評価することを目的とする。

提案手法

• コードは、Aloisioらのアプローチを模倣した運動論的アプローチを採用し、電子対およびパイオン生成に起因するエネルギー損失を連続的エネルギー損失（CEL）近似でモデル化する。
• 写真崩壊プロセスは、[6]の光子密度および断面積データを用いた逆相互作用時間の計算によりシミュレートされ、実験データに基づくエネルギー閾値および分岐比が用いられる。
• v2r1では、核子の放出が電荷保存則に従うようになり、放出された中性子および不安定核種がベータ崩壊を経てニュートリノを生成する。
• パイオン生成は、中心系フレームで等方的分布を示す単一パイオン写真生成としてモデル化され、パイオンはニュートリノとミュー粒子に崩壊する。
• コードは、1次元アプローチを用い、ローレンツ因子の変化および赤方偏移履歴のみを追跡し、エネルギー対数スケールおよび赤方偏移における一様な注入分布を仮定する。
• ニュートリノフラックスは、事後的に再重み付けされたシミュレート事象を用い、それぞれの一次核種の源由来割合に従って、異なる一次核種からの寄与を合算することで計算される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SimProp v2r1 における核の写真崩壊およびパイオン生成プロセスの更新された取り扱いが、予測されるUHECRスペクトルおよびニュートリノフラックスに与える影響は何か？
• RQ2 銀河宇宙線の組成にインspiredされた混合組成の天体的シナリオにおける地上での期待されるニュートリノフラックスは何か？
• RQ3 純粋な陽子注入モデルにおけるニュートリノフラックス予測は、ESSモデルおよびSimProp v2r1の結果とどのように比較できるか？
• RQ4 GZK抑制エネルギーおよび源スペクトルカットオフの影響が、UHEニュートリノの検出可能性に及ぼす程度はどの程度か？

主な発見

• SimProp v2r1 は、純粋な陽子注入シナリオにおいて、ESSモデルのニュートリノフラックス予測と良好な定性的な一致を示し、コードのニュートリノ生成アルゴリズムの妥当性が裏付けられた。
• 実験的組成にインスパイアされた混合組成の「銀河」シナリオでは、ESSの陽子のみのシナリオと比べて、ニュートリノフラックスが数個のオーダー低くなる。これは、より低い有効スペクトルカットオフに起因する。
• 混合組成モデルにおけるGZKエネルギーカットオフは、核子1個あたり約 10^18.5 eV であり、相互作用はスペクトルの高エネルギー尾部に限定される。
• v2r1にはEBLに基づく写真ハドロン過程が含まれていないため、計算されたニュートリノフラックスは、特に低エネルギー領域で保守的下限値となる。
• 更新されたコードでは、写真崩壊における電荷保存則が適切に守られ、放出された中性子および不安定核種のベータ崩壊に起因するニュートリノ生成も追跡されるようになった。