[論文レビュー] Testing diffusion of cosmic rays in the heliosphere with p/He data from AMS

Nicola Tomassetti, F. Barão+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2018

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、太陽活動極小期における太陽系磁気圏の変動を解明するため、AMSが6年間にわたり測定した陽子およびヘリウムフラックスデータを分析し、低剛性（R ≲ 3 GV）における陽子対ヘリウムフラックス比が低下することを示した。これは、粒子の速度βと剛性依存性のある平均自由行程λ(R)の積β × λ(R)に起因する宇宙線拡散の強力な証拠を示しており、太陽系内における電荷・質量依存性のエネルギー調製効果を明らかにしている。

ABSTRACT

After six years of continuous observations in space, the Alpha Magnetic Spectrometer experiment has released new data on the temporal evolution of the proton and helium fluxes in cosmic rays. These data revealed that the ratio between proton and helium fluxes at the same value of rigidity $R=p/Z$ (momentum/charge ratio) is not constant at $R\lesssim$ 3 GV. In particular, the ratio is found to decrease steadily during the descending phase of Solar Cycle 24 toward the next minimum. We show that such a behavior is a remarkable signature of the $\beta imes\lambda(R)$ dependence in the diffusion of cosmic rays in heliosphere, where $\beta$ is their adimensional speed and $\lambda(R)$ is their mean free path, a universal function of rigidity for all nuclei. This dependence is responsible for distinctive charge/mass dependent effects in the time-dependent modulation of low-rigidity particles.

研究の動機と目的

• 長期間にわたるAMS観測を用いて、太陽系における低剛性宇宙線の時間依存的調製を調査すること。
• 電荷および質量依存性を示す宇宙線輸送を説明するβ × λ(R)拡散モデルの妥当性を検証すること。
• 固定剛性における陽子対ヘリウムフラックス比が太陽活動周期にわたって変化するかどうかを特定し、普遍的でない拡散行動を示すかどうかを検討すること。
• 宇宙線フラックスの時間的変化から、剛性依存性のある平均自由行程λ(R)の特徴を同定すること。

提案手法

• アルファ磁気スペクトロメーター（AMS）が6年間にわたり連続して空間で測定した陽子およびヘリウムフラックスの分析。
• 電荷・質量依存効果を分離するために、同じ剛性R = p/Zにおける陽子およびヘリウムフラックスを比較。
• βは粒子の速度（cの単位）を表し、λ(R)は剛性依存性のある平均自由行程であるβ × λ(R)拡散モデルの使用。
• 太陽活動周期24の下降期におけるフラックス比の時間的分析により、系統的な変化を検出。
• 観測されたフラックス比の時間的変化を診断ツールとして用い、剛性依存性拡散の評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 固定剛性R = p/Zにおける陽子対ヘリウムフラックス比は、太陽系内で時間経過とともに変化するか？
• RQ2 観測されたp/Heフラックス比の変化は、宇宙線拡散におけるβ × λ(R)依存性と整合的か？
• RQ3 電荷および質量の違いは、低剛性宇宙線の時間依存的調製にどのように影響するか？
• RQ4 フラックス比の時間的変化は、平均自由行程λ(R)の剛性依存性を制約できるか？

主な発見

• R ≲ 3 GVにおける陽子対ヘリウムフラックス比は、太陽活動周期24の下降期にわたり、一貫して低下している。
• この低下傾向は、粒子の速度βと剛性依存性平均自由行程λ(R)の積β × λ(R)に起因する宇宙線拡散の明確な兆候である。
• 観測された挙動は、低剛性粒子が太陽系磁気圏の影響を電荷および質量に依存して受ける調製効果を示している。
• 全核種に共通する普遍的なλ(R)関数が支持されており、拡散効果は粒子の速度と剛性によって調節されている。