[論文レビュー] SimProp v2r2: a Monte Carlo simulation to compute cosmogenic neutrino fluxes

Roberto Aloisio, Denise Boncioli+4 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 9被引用数 6

ひとこと要約

SimProp v2r2 は、宇宙マイクロ波背景放射および銀河間背景光の両方における光子パイオン生成の完全な確率的取り扱いを組み込み、超高エネルギー宇宙線の宇宙空間中での伝播をモデル化する更新されたモンテカルロシミュレーションコードである。このコードは、宇宙創生ニュートリノフラックスを計算し、エンゲル–ゼッケル–スタネフのベンチマークと良好な一致を示しており、特に二次ニュートリノスペクトルの予測において、副次的でないパイオン生成チャネルの省略に起因するわずかなずれを除いては高い一致度を達成している。

ABSTRACT

We present an updated version of the SimProp Monte Carlo code: a simulation scheme to study the propagation of ultra-high-energy cosmic rays through diffuse extragalactic background radiation. The new version of the code presents two important updates: (i) it treats in a full stochastic approach all interaction channels involving ultra-high-energy cosmic rays and (ii) it takes into account the production of secondary (cosmogenic) neutrinos. This new version of SimProp was tested against different simulations code, in particular the production of secondary neutrinos was compared with the fluxes expected in the scenario of Engel, Seckel and Stanev.

研究の動機と目的

• 超高エネルギー宇宙線伝播の包括的なモンテカルロシミュレーションを開発し、相互作用を完全に確率的に取り扱う。
• 銀河間放射場中を伝播する宇宙線から生成される宇宙創生ニュートリノフラックスを計算する。
• 従来のバージョンを改善し、宇宙マイクロ波背景（CMB）および銀河間背景光（EBL）の両方における確率的光子パイオン生成を含める。
• 新しいニュートリノ生成モジュールを、特にエンゲル–ゼッケル–スタネフのシナリオに照らして、既存の理論的フラックスと照合する。
• 超高エネルギー宇宙線伝播における二次粒子生成をシミュレートするための公開・オープンソースのツールを提供する。

提案手法

• コードは、CMB および EBL におけるプロトンおよび原子核の光子パイオン生成を、連続的近似に代えて確率的アプローチでシミュレートする。
• エネルギー損失は、断続的エネルギー損失近似を用いて、断続的拡張および電子・陽電子対生成をモデル化する。
• 粒子は赤方偏移空間において直線的経路に沿って伝播され、時間および位置は赤方偏移 z のみで追跡される。
• 二次粒子（ニュートリノを含む）は、相互作用点で確率的に生成され、地球に到達するまで追跡される。ニュートリノエネルギーは、宇宙論的赤方偏移のため (1+z) にスケーリングされる。
• 出力には、主粒子の注入、二次粒子のエネルギー、種別、生成赤方偏移に関する詳細なイベント単位のデータが含まれており、ROOT形式で保存される。
• ニュートリノのフレーバー情報は生成時に記録されるが、シミュレーション内ではフレーバー混合は含まない。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 確率的モンテカルロシミュレーションは、超高エネルギー宇宙線相互作用に起因する宇宙創生ニュートリノフラックスをどの程度正確に再現できるか？
• RQ2 CMB に加えて EBL における光子パイオン生成を含めることで、二次ニュートリノスペクトルにどのような影響が生じるか？
• RQ3 シミュレートされたニュートリノフラックスは、エンゲル、ゼッケル、スタネフのベンチマーク結果と定量的にどの程度一致するか？
• RQ4 副次的でないパイオン生成チャネルを無視することで、予測される電子反ニュートリノスペクトルにどのような影響が生じるか？
• RQ5 標準的宇宙論的仮定のもとで、シミュレーションの出力が理論的期待値とどの程度一致するか？

主な発見

• シミュレートされた宇宙創生ニュートリノフラックスは、エンゲル–ゼッケル–スタネフのベンチマークと良好に一致しており、特にミュオンおよび反ミュオンニュートリノにおいて顕著である。
• SimProp v2r2 における電子反ニュートリノスペクトルには、10^18 eV 付近に二重のピークが存在しないが、これは副次的でないパイオン生成チャネルの省略に起因するとされる。
• このピークの欠落は観測的に無視できる。なぜなら、ニュートリノ混合により地球到達時にはフレーバーごとのフラックスが等しくなるため、反ミュオンニュートリノが全反ニュートリノフラックスを支配するからである。
• コードは、CMB および EBL 両方における光子パイオン生成の確率的取り扱いを成功裏に実装しており、以前の連続的近似を改善している。
• コードの出力構造は、エネルギースペクトル、フレーバー組成、赤方偏移依存の生成率といった、二次粒子生成の詳細な解析を可能としている。
• 結果は、宇宙創生ニュートリノフラックスがシミュレーションによって強く予測可能であり、今後の UHECR およびニュートリノ天体物理学研究における利用の妥当性を確認している。