[論文レビュー] The GALPROP Cosmic-ray Propagation and Non-thermal Emissions Framework: Release v57

T. A. Porter, G. Jóhannesson+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 155被引用数 77

ひとこと要約

本論文は、銀河系規模の宇宙線伝搬および非熱的放射のフレームワークであるGALPROP v57を提示する。これは、エネルギーの18桁のスケールにわたる自己整合的で時間に依存する3次元モデル化を可能にし、宇宙線とその放射を包括的に扱う。リリースには、更新された核反応断面積、強化された星間物質モデリング、特に100 GeVを超える非常に高エネルギー（VHE）範囲における、宇宙望遠鏡および地上望遠鏡からの多波長データの高精度解釈を可能にする新機能が含まれる。

ABSTRACT

The past decade has brought impressive advances in the astrophysics of cosmic rays (CRs) and multiwavelength astronomy, thanks to the new instrumentation launched into space and built on the ground. Modern technologies employed by those instruments provide measurements with unmatched precision, enabling searches for subtle signatures of dark matter (DM) and new physics. Understanding the astrophysical backgrounds to better precision than the observed data is vital in moving to this new territory. The state-of-the-art CR propagation code called GALPROP is designed to address exactly this challenge. Having 25 years of development behind it, the GALPROP framework has become a de-facto standard in the astrophysics of CRs, diffuse photon emissions (radio- to gamma-rays), and searches for new physics. GALPROP uses information from astronomy, particle physics, and nuclear physics to predict CRs and their associated emissions self-consistently, providing a unifying modelling framework. The range of its physical validity covers 18 orders of magnitude in energy, from sub-keV to PeV energies for particles and from micro-eV to PeV energies for photons. The framework and the datasets are public and are extensively used by many experimental collaborations and by thousands of individual researchers worldwide for interpretation of their data and for making predictions. This paper details the latest release of the GALPROP framework and updated cross sections, further developments of its initially auxiliary datasets for models of the interstellar medium that grew into independent studies of the Galactic structure -- distributions of gas, dust, radiation and magnetic fields -- as well as the extension of its modelling capabilities. Example applications included with the distribution illustrating usage of the new features are also described.

研究の動機と目的

• 銀河系全域にわたる自己整合的で時間に依存する3次元の宇宙線伝搬および非熱的放射のモデリングを可能にすること。
• 更新された核断面積および天体物理学的データセットを統合することで、宇宙線伝搬モデルの精度を向上させること。
• CALET、DAMPE、HAWC、LHASSOを含む、現代の宇宙および地上望遠鏡からの高精度データの解釈を支援すること。
• エネルギーの18桁のスケールにわたる宇宙線、拡散放射、および新しい物理現象の探索を対象とする、公開可能で拡張可能なフレームワークを提供すること。
• GALPROPフレームワークを、ガス、ダスト、放射、磁場を含む星間物質構造の包括的ツールへと拡張すること。

提案手法

• GALPROPコードは、3次元または4次元（空間＋エネルギー変数）における約90個の時間に依存する輸送方程式系を解き、対流、拡散、エネルギー損失、核分裂を含む。
• 複数の宇宙線源集団（例：超新星残骸、脈動星ポラリス）のためのカスタム空間分布、注入スペクトル、同位体組成を許容する柔軟な源モデル構成方式を採用している。
• 重要な反応、特に3He(p,ppX)dおよびpp→π++dのための更新された核断面積をフレームワークに組み込み、詳細なバランスと実験データへのフィットを用いている。
• 星間放射場（ISRF）、磁場、ガス／ダスト分布を自己一貫的にモデリングし、データセットを独立した天体物理学的研究として扱うようになった。
• 位置および剛性に依存する可変な拡散係数をサポートし、コルモゴロフまたはイロシニコフ＝クライチナン乱流スペクトルの選択肢を提供している。
• ウェブベースのインターフェース（WEBRUN）によりリモート実行が可能であり、フレームワーク全体およびデータセットは公開されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エネルギーの18桁のスケール（数eVからPeVまで）にわたる宇宙線伝搬および非熱的放射を、どのように自己整合的にモデリングできるか？
• RQ2 宇宙線衝突における二次粒子生成を正確にモデリングするには、核断面積にどのような改善が必要か？
• RQ3 現代の高エネルギー観測データに対して、時間に依存する3次元の宇宙線伝搬モデリングを計算的に実行可能にするにはどうすればよいか？
• RQ4 空間的に変化する拡散係数および磁場分布が、宇宙線および放射プロファイルに果たす役割は何か？
• RQ5 GALPROPフレームワークを、もともとの目的を超えて、ガス、ダスト、放射、磁場を含む星間物質構造をモデリングするための拡張はどのように可能か？

主な発見

• GALPROP v57は、CALET、DAMPE、HAWC、LHASSOからの新しいVHEデータを解釈するために不可欠な、時間に依存する3次元の宇宙線伝搬および関連する非熱的放射のモデリングを可能にした。
• 3He(p,ppX)dおよびpp→π++dといった重要な反応のための更新済み断面積がフレームワークに組み込まれ、プロトンの運動エネルギー288–4000 MeVの範囲で実験データへのフィットがなされている。
• pp→π++dの断面積は、970 MeVを超える領域でべき乗則的尾部を示し、δ = 2.9および正規化係数q = 0.4675としてモデル化されており、高エネルギー領域のデータと一致する。
• pp衝突におけるドデューム生成の形式的取り扱いは、詳細なバランスとCMS運動学を用いて検証されており、Tp ≈ 560 MeVで最大断面積を示す。
• p+Aおよびα+A反応における3He、3H、2H生成の断面積は、A依存係数およびエネルギー依存関数を用いてスケーリングされており、F(Ek,A)はエネルギーおよび質量依存性を考慮している。
• 星間物質データセット（ガス、ダスト、放射、磁場）は、独立した天体物理学的研究へと進化し、フレームワークの物理的現実性および予測力が向上した。