[論文レビュー] The discovery of geomagnetically trapped cosmic ray antiprotons

O. Adriani, G. C. Barbarino+62 more|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2011

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 33被引用数 41

ひとこと要約

本論文は、PAMELA衛星実験によって南大西洋帯（SAA）で地球磁気圏に捕獲された宇宙線反陽子の初の直接検出を報告している。60–750 MeVのエネルギースペクトル測定と粒子軌道シミュレーションを用いて、この研究は、反陽子の捕獲フラックスが銀河的宇宙線反陽子を3桁以上上回ることを確認した。主な要因は、背後放射反中性子の崩壊に起因するCRANbarD過程である。

ABSTRACT

The existence of a significant flux of antiprotons confined to Earth's magnetosphere has been considered in several theoretical works. These antiparticles are produced in nuclear interactions of energetic cosmic rays with the terrestrial atmosphere and accumulate in the geomagnetic field at altitudes of several hundred kilometers. A contribution from the decay of albedo antineutrons has been hypothesized in analogy to proton production by neutron decay, which constitutes the main source of trapped protons at energies above some tens of MeV. This Letter reports the discovery of an antiproton radiation belt around the Earth. The trapped antiproton energy spectrum in the South Atlantic Anomaly (SAA) region has been measured by the PAMELA experiment for the kinetic energy range 60--750 MeV. A measurement of the atmospheric sub-cutoff antiproton spectrum outside the radiation belts is also reported. PAMELA data show that the magnetospheric antiproton flux in the SAA exceeds the cosmic-ray antiproton flux by three orders of magnitude at the present solar minimum, and exceeds the sub-cutoff antiproton flux outside radiation belts by four orders of magnitude, constituting the most abundant source of antiprotons near the Earth.

研究の動機と目的

• 宇宙飛行機搭載粒子検出器を用いて、地球の内側帯電放射線帯に捕獲された反陽子を検出・測定すること。
• 特に、CRANbarD機構（背後放射反中性子の崩壊に起因）と直接対生成の間で反陽子源を区別すること。
• 地球磁気圏内における反陽子生成および輸送の理論的モデルを制約すること。
• 太陽活動最小期におけるSAA領域の反陽子エネルギースペクトルおよび反陽子対陽子比を測定すること。
• 捕獲反陽子フラックスが、しきい値未満の対気圏反陽子および銀河的宇宙線反陽子と比較して、それぞれの寄与度を評価すること。

提案手法

• PAMELA衛星実験は2006年7月から2008年12月まで、McIlwain L殻値が1.1～1.3の南大西洋帯（SAA）領域に焦点を当ててデータ収集を行った。
• 捕獲された粒子運動を示すために、運動エネルギー（60–750 MeV）、ピッチ角が約90°、磁場強度が0.216 G未満の条件に基づき反陽子候補を選別した。
• 粒子軌道はTrajMapシミュレーションツールを用いて再構築され、磁場線周りのらせん運動、ミラー点間のバウンス、経度方向のドリフトを追跡した。
• しきい値剛性はStörmer形式（R_VC = 14.9 / L²）を用いて推定され、帯電放射線帯外のしきい値未満反陽子を特定した。
• 捕獲反陽子スペクトルは、Selesnickら（2007）およびGusevら（2008）の理論予測と、PAMELAの銀河的宇宙線反陽子データと比較された。
• 統計解析を28個の捕獲反陽子に適用し、SAA領域での有効滞在時間割合を1.7%（約4.6 × 10⁹ s）と推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地球の磁気圏、特に内側帯電放射線帯に捕獲された反陽子の検出可能なフラックスが存在するか？
• RQ2 背後放射反中性子の崩壊に起因するCRANbarD過程が、捕獲反陽子集団に占める寄与度は、直接対生成と比べてどの程度か？
• RQ3 捕獲反陽子フラックスは、銀河的宇宙線反陽子およびしきい値未満の大気圏反陽子と比較して、それぞれどの程度の寄与度を示すか？
• RQ4 SAA領域における捕獲反陽子のエネルギースペクトルは何か？また、理論モデルと比較するとどうなるか？
• RQ5 SAA領域における測定された反陽子対陽子比は、CRANbarDモデルの予測とどの程度一致するか？

主な発見

• PAMELA実験は、SAA領域において60–750 MeVの運動エネルギー範囲で28個の捕獲反陽子を検出しており、地球磁気圏に捕獲された反陽子集団の存在を確認した。
• 太陽活動最小期におけるSAA領域の捕獲反陽子フラックスは、銀河的宇宙線反陽子フラックスを3桁以上上回っており、1 GeV未満の近地反陽子の主な供給源となっている。
• 帯電放射線帯外のしきい値未満の大気圏反陽子フラックスよりも、捕獲反陽子フラックスは4桁以上上回っている。
• SAA領域における測定された反陽子対陽子比は、理論的CRANbarDモデルと一貫しており、背後放射反中性子対中性子比と類似の値を示している。
• PAMELAが測定した捕獲反陽子のエネルギースペクトルは、Selesnick ら（2007）のPAMELA軌道用CRANbarD予測と良好に一致している。
• 本結果は、地球磁気圏内における反陽子生成モデルを顕著に制約し、予測される反陽子スペクトルの不確実性を低減した。