[論文レビュー] The Sun at GeV--TeV Energies: A New Laboratory for Astroparticle Physics

M. U. Nisa, J. F. Beacom+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2019

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 44被引用数 24

ひとこと要約

本稿では、太陽がGeV–TeVガンマ線の長期的・マルチメッセンジャーオブザーバーを用いた観測を通じて、説明のつかない硬い過剰放射を解明することを目的として、新しいアストロパラティクル物理学の実験室としての太陽の可能性を提唱している。長期間にわたるガンマ線、ニュートリノ、宇宙線の観測、特に次世代の全天スカイサーベイの装置からの観測により、太陽の大気における宇宙線反応の理解が深まり、ダークマターおよび宇宙線伝播モデルの改善が期待される。

ABSTRACT

The Sun is an excellent laboratory for astroparticle physics but remains poorly understood at GeV--TeV energies. Despite the immense relevance for both cosmic-ray propagation and dark matter searches, only in recent years has the Sun become a target for precision gamma-ray astronomy with the Fermi-LAT instrument. Among the most surprising results from the observations is a hard excess of GeV gamma-ray flux that strongly anti-correlates with solar activity, especially at the highest energies accessible to Fermi-LAT. Most of the observed properties of the gamma-ray emission cannot be explained by existing models of cosmic-ray interactions with the solar atmosphere. GeV--TeV gamma-ray observations of the Sun spanning an entire solar cycle would provide key insights into the origin of these gamma rays, and consequently improve our understanding of the Sun's environment as well as the foregrounds for new physics searches, such as dark matter. These can be complemented with new observations with neutrinos and cosmic rays. Together these observations make the Sun a new testing ground for particle physics in dynamic environments.

研究の動機と目的

• 宇宙線反応の理論的モデルに反する、太陽からの硬めの反相関的GeV–TeVガンマ線過剰放射という未解決の謎に取り組むこと。
• 長期間にわたる高統計的ガンマ線観測を通じて、動的な太陽環境における宇宙線伝播および磁場効果の理解を深めること。
• ガンマ線、ニュートリノ、宇宙線データの統合により、太陽におけるダークマター消失および散乱の感度を向上させること。
• 特に300–800 GeVのエネルギー範囲において、現在のエネルギーカバー範囲および感度のギャップを特定し、新規観測施設の設置を提言すること。
• 次世代マルチメッセンジャーアストロフィジックスの重要なターゲットとして、太陽を位置づけること、特に南半球の全天スカイサーベイ装置を対象とする。

提案手法

• 9年間の長期的Fermi-LATデータを活用し、太陽ディスクからの定常的で明るいGeV–TeVガンマ線放射を、エネルギーおよび太陽活動周期依存性に注目して分析する。
• 宇宙線反応の理論的モデル（ハドロニクスカスケードおよび逆コンプトン散乱を含む）と観測されたガンマ線フラックスを比較し、乖離を特定する。
• HAWCおよびARGO-YBJからの制約を用いて、それぞれ1–100 TeVおよび300 GeV以上のエネルギー範囲における感度のギャップを評価する。
• 次世代の全天スカイサーベイ装置の導入を提言する、特に南半球に位置する水チェレンコフ検出器アレイの設置を想定する。
• ガンマ線観測とニュートリノ・宇宙線観測を統合し、太陽からの荷電粒子の方向およびフラックスモデリングを改善する。
• 太陽の磁場が宇宙線の軌道および偏光角に与える影響をモデル化し、陽電子や中性子などの二次粒子の方向探索を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ太陽は、太陽活動と強く反比例する硬めのGeV–TeVガンマ線過剰放射を示し、0.1–10 GeVのエネルギー範囲で理論的予測を約6倍も上回るのか？
• RQ2 現在のガンマ線観測装置（例：Fermi-LAT、HAWC、ARGO-YBJ）は、300 GeV–1 TeV範囲における太陽放射のスペクトル形状をどの程度解像できるのか？
• RQ3 将来の南半球における全天スカイサーベイ装置は、太陽ガンマ線観測の感度およびエネルギーカバー範囲をどのように向上させ得るのか？
• RQ4 コロナおよび惑星間磁場は、宇宙線フラックスの調制および太陽大気内でのガンマ線生成に果たす役割は何か？
• RQ5 高統計的太陽ガンマ線測定は、長寿命の媒介粒子を伴うダークマターモデルや陽子散乱を含むモデルに対する制約をどの程度強化できるのか？

主な発見

• 0.1–10 GeVのエネルギー範囲で観測された太陽からのガンマ線フラックスは、理論的予測を約6倍も上回っており、宇宙線反応モデルに対する根本的な理解の欠落を示唆している。
• 100 GeVにおいて、太陽活動最小期の測定フラックスは、宇宙線誘発ガンマ線生成の理論的上限にほぼ達しており、ガンマ線生成効率がほぼ100％に近いことを示唆しており、現在のモデルでは前例のない現象である。
• HAWCおよびARGO-YBJといった現在の装置では、Fermi-LATスペクトルのE⁻².⁷の外挿を300–800 GeV範囲で排除できないほど感度が不足しており、重要な観測ギャップが存在する。
• 太陽ガンマ線放射の理論的下限値は、TeV範囲で現在のHAWC制約から3桁も低いままであり、未探索のパラメータ空間が広く残っていることを示している。
• LHAASOや南半球に計画中の水チェレンコフ検出器アレイといった次世代装置は、感度を著しく向上させ、太陽ガンマ線の初のTeV検出を可能にする見込みである。
• 太陽のガンマ線観測は、直接検出実験よりも数個のオーダーも感度が高く、今後の10年間でダークマター・プロトン散乱を制約する主なプローブとなる。