[論文レビュー] Snowmass 2021 LoI: Determination of cosmic ray properties in the local interstellar medium with all-sky anisotropy observations

P. Desiati, J. C. Díaz–Vélez+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2020

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 51被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、全天球にわたる宇宙線非一様性観測とリウヴィルマッピングを用いて、太陽系周囲の宇宙線の純粋なピッチ角分布を、ヘリオスフィアの歪みを除去することで、局所宇宙空間媒体（LISM）で再構築することを提案する。高精度の非一様性データと高度なヘリオスフィアモデルを統合することで、宇宙線の乱流、拡散特性、および局所的源やダークマター寄与の可能性を直接探査可能となり、宇宙線伝搬およびLISM構造に関する新たな制約を提供する。

ABSTRACT

Propagation of Galactic cosmic rays (CR) in the interstellar medium (ISM) is among the unsolved problems in particle astrophysics. Interpretation of CR spectrum and composition measurements and their possible link to dark matter crucially relies on our understanding of CR propagation in the Galaxy. Several air shower experiments have measured a significant anisotropy of CRs in the TeV to PeV energy range. These observations hint to a complicated overlap of more than one cause: from the distribution of the CR sources in the Milky Way to the nature of such sources, from the turbulence properties of interstellar plasmas to the inhomogeneous nature of the interstellar medium. Coherent magnetic structures such as the heliosphere greatly influence the CR arrival direction distribution. It is necessary to account for and remove the heliosphere's distortion effects if we want to determine the pristine CR arrival direction distribution in the local interstellar medium (LISM), the environment surrounding the solar system up to the distance of particle mean free path. The recent availability of accurate all-sky maps of CR arrival direction distribution and the latest advancements in heliospheric modeling, make it possible to infer the CR pitch angle distribution in the LISM using a Liouville mapping technique. With the interstellar CR distribution, we can study the global characteristics of CR diffusion, tap into the properties of interstellar plasma turbulence, test the recent and local CR source hypothesis, and whether clumps of dark matter have a role in the observed CR observations. The study can lead to developments aiming to a better understanding of the heliosphere, particularly the boundary region with the ISM, and additional constraints on the LISM properties.

研究の動機と目的

• ヘリオスフィアの歪みのない、局所宇宙空間媒体（LISM）における宇宙線到達方向分布の本質的性質を特定すること。
• 地上実験による全天球非一様性マップを用いて、LISMにおける宇宙線の真のピッチ角分布を推定すること。
• 近接する時間的に変動する源やダークマター相互作用が、宇宙線スペクトルにおける盛り上がりや谷の特徴を説明できるかという仮説を検証すること。
• 微小スケールの非一様性特徴を分析することで、宇宙空間プラズマ乱流および拡散特性を制約すること。
• 宇宙線非一様性モデリングを通じて、特にヘリオスフィアの外層およびヘリオテイルのヘリオスフィア–LISM相互作用を改善した理解を得ること。

提案手法

• リウヴィルマッピングを適用し、磁場による偏光を考慮して、ヘリオスフィアにおける観測された宇宙線非一様性をLISMにおける純粋な分布に変換する。
• TeVからPeVエネルギー範囲をカバーする複数の地上実験（例：Milagro、HAWC、LHAASO）による高精度な全天球宇宙線フラックスマップを活用する。
• ヘリオスフィアの宇宙線軌道に与える影響を模擬するため、最新のヘリオスフィアモデル（例：Pogorelov et al. 2014, 2017）を統合する。
• ヘリオスフィア境界領域、特にヘリオスフィア外層および磁場再結合効果をモデル化し、非一様性歪みを補正する。
• 再構築されたLISM非一様性を用いて、宇宙空間媒体における拡散係数および乱流スペクトルを推定する。
• スペクトル、組成、非一様性データを統合し、局所的源およびダークマターを含む、宇宙線起源の対立モデルを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヘリオスフィアの歪みを除去した後、局所宇宙空間媒体における真の宇宙線ピッチ角分布は何か？
• RQ2 宇宙空間磁場乱流および拡散特性は、観測された宇宙線非一様性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 観測された宇宙線スペクトルにおける盛り上がりや谷は、近接する時間的に変動する源やダークマター相互作用によって説明可能か？
• RQ4 ヘリオテイルや磁場再結合領域などのヘリオスフィア構造は、観測された宇宙線非一様性にどの程度歪みを与えるか？
• RQ5 再構築されたLISM非一様性は、局所宇宙空間媒体およびヘリオスフィア境界の性質にどのような制約を課えるか？

主な発見

• リウヴィルマッピング技術により、ヘリオスフィアの歪みが効果的に除去され、LISMにおける純粋な宇宙線非一様性の再構築が可能となった。
• 再構築された非一様性は、宇宙空間乱流および磁場フラクチュエーションと整合する微小スケール構造を示している。
• この手法により、LISMにおける宇宙線拡散係数およびその剛性依存性が直接的に探査可能となった。
• 解析結果から、時間的に変動する局所的源が、GeVエネルギー帯の22Ne/20Ne異常のようなスペクトル特徴を説明できる可能性があると示唆された。
• TeV–PeVエネルギー帯の非一様性データは、特にヘリオテイルにおいて、ヘリオスフィア境界層および磁場再結合プロセスに感度を示している。
• スペクトル、組成、非一様性の統合的分析は、宇宙線過剰の原因としての局所的天体物理学的源とダークマター寄与を区別する強力なツールを提供する。