[論文レビュー] The importance of Fe fragmentation for LiBeB analyses: Is a Li primary source needed to explain AMS-02 data?

D. Maurin, E. Ferronato Bueno+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2022

Radiation Therapy and Dosimetry被引用数 1

ひとこと要約

本稿は、AMS-02データからの更新された断面積パラメータを用いて、銀河宇宙線におけるリチウム、ベリリウム、ボロン（LiBeB）同位体の生成における鉄（Fe）断片化の役割を再評価する。Fe断片化はLiおよびBeフラックスに最大10%寄与しており、一次リチウム源を必要とせずAMS-02のLi/C、Be/C、B/C比に著しく適合する。拡散係数は約20%向上し、複数の断面積セットとの整合性も向上する。

ABSTRACT

High-precision data from AMS-02 on Li, Be, and B provide the best constraints on Galactic cosmic-ray transport parameters. We re-evaluate the impact of Fe fragmentation on the Li, Be, and B modelling. We discuss the consequences on the transport parameter determination and reassess whether a primary source of Li is needed to match AMS-02 data. We renormalised several cross-section parametrisations to existing data for the most important reactions producing Li, Be, and B. We used the USINE code with these new cross-section sets to re-analyse Li/C, Be/C, and B/C AMS-02 data. We built three equally plausible cross-section sets. Compared to the initial cross-section sets, they lead to an average enhanced production of Li ($\sim20-50\%$) and Be ($\sim5-15\%$), while leaving the B flux mostly unchanged. In particular, Fe fragmentation is found to contribute to up to 10\% of the Li and Be fluxes. Used in the combined analysis of AMS-02 Li/C, Be/C, and B/C data, the fit is significantly improved, with an enhanced diffusion coefficient ($\sim 20\%)$. The three updated cross-section sets are found to either slightly undershoot or overshoot the Li/C and B/C ratios: this strongly disfavours evidence for a primary source of Li in cosmic rays. We stress that isotopic cosmic-ray ratios of Li (and to a lesser extent Be), soon to be released by AMS-02, are also impacted by the use of these updated sets. Almost no nuclear data exist for the production of Li and B isotopes from Ne, Mg, Si, and Fe, whereas these reactions are estimated to account for $\sim 20\%$ of the total production. New nuclear measurements would be appreciated and help to better exploit the high-precision AMS-02 cosmic-ray data.

研究の動機と目的

• 鉄断片化がLiBeB宇宙線生成モデルに与える影響を再評価すること。
• AMS-02データを説明するために一次リチウム源が必要かどうかを評価すること。
• Feおよび重い核種からのLi、Be、B生成の断面積パラメータを改善すること。
• 更新された核反応不確実性を考慮した輸送パラメータの決定の妥当性をテストすること。
• 近い将来のAMS-02による同位体比測定に与える影響を評価すること。

提案手法

• 既存の実験データを用いて、Li、Be、B生成の複数の断面積パラメータを再正規化した。
• 更新された断面積セットを用いたusineコードを用い、AMS-02のLi/C、Be/C、B/Cデータを再分析した。
• 物理的範囲内で主要反応を変動可能なペナルティ付きバリエーション法を用いて不確実性を伝搬した。
• 3つの更新された断面積セット（OPT12、OPT12up22（エネルギー依存性が改善済み）、OPT22）を比較した。
• 3つの輸送設定（SLIM、QUAINT、BIG）において、輸送パラメータ（拡散、対流、再加速）をフィットした。
• 50 GVにおけるF、Ne、Na、Mg、Al、Si、Feの最新AMS-02データを用い、一次源の元素分画を正規化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 鉄断片化は、宇宙線中のLiおよびBe生成にどの程度寄与しているか？
• RQ2 AMS-02のLi/C、Be/C、B/C比への適合が、一次リチウム源を仮定せずに達成可能か？
• RQ3 Feおよび重い核種の断面積パラメータの更新は、導出された輸送パラメータにどのように影響するか？
• RQ4 最新AMS-02の元素フラックスデータ（例：Fe、Si）を用いることで、LiBeB比予測にどのような影響を与えるか？
• RQ5 更新された断面積セットは、拡散モデルにおける低剛性不連続性の有意性にどのような影響を与えるか？

主な発見

• Fe断片化はLiおよびBeフラックスに最大10%寄与しており、従来の推定値を大幅に上回る二次生成を示している。
• 更新された断面積セットにより、Li生成は20–50%増加、Be生成は5–15%増加したが、Bフラックスはほとんど変化しなかった。
• AMS-02のLi/C、Be/C、B/C比への統合的適合が著しく改善され、最適フィット拡散係数は約20%向上した。
• 3つの更新された断面積セットはいずれもLi/CおよびB/C比をわずかに低くまたは高めに予測し、一次リチウム源の必要性を強く否定する。
• QUAINTおよびBIG設定では、パラメータK0（拡散正規化）が断面積セットの選択にほとんど依存しなくなり、代わりに対流および再加速パラメータが調整された。
• Liの同位体比は、Beと比べてやや小さいが、更新された断面積セットの影響を受けるため、将来的なAMS-02の同位体測定の必要性が強調される。