[論文レビュー] Secondary Antiprotons in Cosmic Rays

I. V. Moskalenko, A. W. Strong+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2001

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、銀河系宇宙線の3次元伝播モデル（GALPROP）を提示し、宇宙空間内伝播および太陽系内調制を考慮した二次反陽子フラックスを計算する。4 GV未塔の伝播係数に不連続性を導入した拡散・対流モデルを用いることで、反陽子、陽子、B/Cのデータと最も整合性が高く、ダークマター探索のための頑健なバックグラウンドを提供するとともに、太陽活動周期にわたる太陽調制効果の精緻化を実現する。

ABSTRACT

High energy collisions of cosmic ray (CR) nuclei with interstellar gas are believed to be the mechanism producing the majority of CR antiprotons. The distinguishing spectral shape with a maximum at 2 GeV and a sharp decrease towards lower energies makes antiprotons a unique probe of the models of particle propagation in the Galaxy and modulation in the heliosphere. Besides, accurate calculation of the secondary antiproton flux provides a ``background'' for searches for exotic signals from the annihilation of supersymmetric particles and primordial black hole evaporation. Recently new data with large statistics on the antiproton flux have become available which allow for such tests to be performed. We use our 3D Galactic cosmic ray propagation code GALPROP to calculate interstellar propagation in several models. For our best model we make predictions of proton and antiproton fluxes near the Earth for different modulation levels and polarity using a steady-state drift model for heliospheric modulation.

研究の動機と目的

• 3次元宇宙線伝播コードを用いて、二次反陽子の銀河系内および地球近傍スペクトルを正確にモデル化すること。
• 伝播および調制モデルの精緻化により、観測された反陽子スペクトルと理論的予測との乖離を解消すること。
• ダークマターや原始ブラックホールなどの特異的源の検出のための信頼できるバックグラウンドフラックスを提供すること。
• 太陽磁気極性および傾き角の異なる条件下での太陽調制が、反陽子フラックスに与える影響を調査すること。

提案手法

• GALPROPコードを用いて、円柱対称性を考慮した3次元銀河系宇宙線伝播をシミュレートし、拡散、対流、再加速を組み込む。
• 反陽子生成はpp反応断面積およびDTUNUC核反応因子を用いて計算され、非弾性散乱に起因する三次反陽子も含む。
• 複数の伝播モデル（確率的再加速、最小再加速・対流、単純拡散、拡散・対流）を用いて、局所宇宙空間スペクトル（LIS）を計算する。
• 安定状態のドリフトモデルを用いて太陽系内調制を適用し、調制ポテンシャルを太陽磁気極性（A>0 および A<0）および傾き角に応じて変化させる。
• 伝播パラメータを制約するためにB/C比を用い、ハロー高さは4 kpcで固定する。
• モデルチューニングでは、観測された陽子、ヘリウムおよび反陽子スペクトルに一致するよう、注入スペクトルおよび4 GV未塔の伝播係数を調整する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 物理的に妥当な伝播モデルが、約2 GeVにおけるピークと低エネルギー域での急激な低下を示す観測された反陽子スペクトルを再現できるか？
• RQ2 標準的な再加速／対流モデルが、同時に観測された反陽子スペクトルと一次スペクトルを再現できない理由は何か？
• RQ3 太陽磁気極性および傾き角の異なる条件下で、太陽調制が地球近傍の反陽子フラックスにどのように影響を与えるか？
• RQ4 4 GV未塔における伝播係数の不連続性が、モデル予測と観測データの整合性を回復させる役割を果たすメカニズムは何か？
• RQ5 本モデルが、スケールアップされたダークマターの消失による超対称的ダークマターの反応など、特異粒子の検出のバックグラウンドとしてどの程度有効に使えるか？

主な発見

• 4 GV未塔で伝播係数に不連続性を持つ拡散・対流（DC）モデルが、反陽子、陽子、ヘリウムおよびB/Cデータに対して最も良好な適合を示す。
• 本モデルは、約2 GeVにおける反陽子スペクトルの急峻なピークと、低エネルギー域での急激な低下を成功裏に再現している。
• 20 GV未塔で注入スペクトルを平坦化することで、一次スペクトルへの適合が向上し、二次フラックスに顕著な影響を与えない。
• 太陽系内調制モデルでは、太陽磁気極性および傾き角に応じて反陽子フラックスに顕著な変動が生じ、特に低エネルギー域で感受性が強い。
• モデルでは、太陽活動周期に応じて反陽子対陽子比が最大で約20％変動することが予測される。
• 本研究では、二次生成粒子（反陽子など）の低エネルギー領域に注入スペクトルの不連続性がないことが、他のモデルで見られる誤ったスペクトルバンプの除去に寄与していることが判明した。