[論文レビュー] Spatial-Dependent Diffusion of Cosmic Rays and the Ratio of pbar/p, B/C

Yi-Qing Guo, Zhen Tian+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 81被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、銀河ディスク内の空間的依存性を持つ拡散——特に内側ハローにおける拡散係数のrigidity依存性の低減——が、AMS02が観測した一次陽子および電子のスペクトル硬化と、$\bar{p}/p$および$B/C$比の平坦性を同時に説明できることを提案している。DRAGONパッケージを用いてTwo-Halo Modelに基づく拡散係数$D(r,z,\rho)$をモデル化することで、特異な物理や複数の源集団を仮定することなく、一次スペクトルの硬化と二次比の平坦性の両方を再現した。

ABSTRACT

Recent precise measurements of cosmic ray spectral revealed an anomalous hardening at ~200 GV for nuclei from PAMELA, CREAM, ATIC, AMS02 experiments and at tens of GeV for primary electron derived from AMS02 experiment. Particularly, the latest observation of pbar/p ratio by AMS02 demonstrated a flat distribution, which further validated the spectrum anomalies of secondary particles. All those new phenomena indicated that the conventional propagation model of cosmic rays meet challenge. In this work, the spatial-dependent propagation coefficient D(r,z,ρ) is employed by tracing the source distribution under the physical picture of two-halo model in DRAGON package. Under such scenario, the model calculation will result in a two-component spectral for primary nuclei and electron. Simultaneously, due to the smaller rigidity dependence of D(r,z,ρ) in galactic disk, the ratio of secondary-to-primary will be inevitablly flatter than the calculation in the conventional propagation model. As a result, we can reproduce the spectral hardening of proton, electron and the flat ratio of pbar/p and B/C by only adopting the spatial-dependent propagation coefficient D(r,z,ρ) in galactic disk.

研究の動機と目的

• AMS02による$\bar{p}/p$および$B/C$比の高精度測定と、エネルギー依存性の強い軟化を予測する従来の伝播モデル（CPM）との間にある矛盾を解消すること。
• 銀河ディスク内での空間的に変化する拡散係数$D(r,z,\rho)$——特に内側ハローにおけるrigidity依存性の低減——が、一次陽子および電子のスペクトル硬化を同時に説明できるかどうかを調査すること。
• このような空間的依存性を持つ拡散モデルが、AMS02が観測した$\bar{p}/p$および$B/C$比の平坦性を、10 GeVから数百GeVのエネルギー範囲で再現できるかどうかをテストすること。
• 単一の物理的メカニズム（Two-Halo Modelフレームワーク内での空間的依存性を持つ拡散）を用いて、複数の異常な宇宙線現象を統一的に、非特異的（exotic）な説明なしに説明すること。

提案手法

• 銀河伝播領域を内側ハロー（IH）と外側ハロー（OH）に分割するTwo-Halo Model（THM）を採用し、IHではrigidity依存性が小さく、OHでは標準的なrigidity依存性を持つように設定する。
• THMの下で、源分布から空間的依存性を持つ拡散係数$D(r,z,\rho)$を導出し、パラメータ$\xi$（内側ハローの割合）と$\delta$（rigidity依存性指数）を自由変数とする。
• DRAGONパッケージを用いて、核分裂およびエネルギー損失を含む2次元数値シミュレーションを実施し、スペクトルおよび二次比を計算する。
• AMS02データに基づき、$e^+ + e^-$全フラックスから陽電子フラックスを差し引いて一次電子スペクトル$\Delta\phi = \Phi_{e^-} - \Phi_{e^+}$を算出する。
• モデル予測の$\bar{p}/p$および$B/C$比を、AMS02、PAMELAおよび他の実験データと、0.1–1000 GeVの範囲で比較する。
• モデルの整合性を評価するため、$\bar{p}$生成断面積の不確実性（約25%）を考慮し、誤差範囲内でデータと一致するかを比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河ディスク内での空間的依存性を持つ拡散係数が、数十GeVおよび約200 GVで観測された一次陽子および電子のスペクトル硬化を説明できるか？
• RQ2 内側ハローにおける$D(r,z,\rho)$のrigidity依存性の低減が、従来の伝播モデルと比較して自然に$\bar{p}/p$および$B/C$比の平坦性をもたらすか？
• RQ3 Two-Halo Modelのパラメータを一つのセットに固定することで、一次スペクトルの硬化と二次比の平坦性の両方を、新しい物理を仮定せずに再現できるか？
• RQ4 AMS02の高精度データ（10 GeVから1000 GeVのエネルギー範囲）に対して、モデルが$\bar{p}/p$および$B/C$比をどの程度よく再現できるか？
• RQ5 $\bar{p}$生成断面積の不確実性が、$\bar{p}/p$のモデルとデータの比較にどのような影響を及えるか？

主な発見

• モデルは、単一のパラメータセットで、数十GeV以降の一次陽子および電子スペクトルの硬化を成功裏に再現した。
• 計算された$\bar{p}/p$比は、約10 GeVから数百GeVの範囲で平坦であり、特に$\bar{p}$生成断面積の約25%の不確実性を考慮した場合、AMS02データと良好に一致した。
• $B/C$比もモデルでよく再現されており、約1 GeVでわずかに過剰予測があるが、それ以外はAMS02観測と一貫していた。
• 二次比の平坦性は、銀河ディスク内での$D(r,z,\rho)$のrigidity依存性の低さに起因し、エネルギー依存性の軟化が抑制されるため、自然に生じた。
• モデルは、数十GeVで一次電子スペクトルの折り返し（break）を予測しており、AMS02の$\Delta\phi = \Phi_{e^-} - \Phi_{e^+}$データと整合的であった。
• 将来の高統計的、TeVエネルギー領域の観測が、特に$\bar{p}/p$および$B/C$比に関して、空間的依存性を持つ拡散モデルの決定的検証を提供すると予想される。