[論文レビュー] UHECR bending, clustering and decaying feeding gamma anisotropy

Daniele Fargion, D. DʼArmiento+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2012

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 10被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、$^{56}$Ni や $^{60}$Co などの壊れやすく放射性の重い原子核で構成される超高エネルギー宇宙線（UHECR）が、セントaurusA（Cen A）に沿ったUHECRのクラスタリングおよびTeVガンマ線の非一様性を説明できると提唱している。これらの原子核は銀河磁場によって曲げられ、飛行中にベータ崩壊を経て、加速されたPeV電子とシンクロtron的TeVガンマ線を生成する。この現象は、観測されたUHECRの多重事象およびニュートリノ信号と相関し、UHECRの非一様性と二次粒子の放射を統一的に説明するものである。

ABSTRACT

Ultra High Cosmic Rays) made by He-like lightest nuclei might fit clustering along Cen A. Moreover He like UHECR nuclei explain Virgo absence because the light nuclei fragility and opacity above a few Mpc. We foresaw (2009) that UHECR He from Cen-A AGN being fragile should partially fragment into secondaries at tens EeV multiplet (D,He^{3},p) as the recent twin multiplet discovered ones (AUGER-ICRC-2011), at 20 EeV along Cen A UHECR clustering. We suggest that UHECR are also heavy radioactive galactic nuclei as Ni^{56}, Ni^{57} and Co^{57} widely bent (tens degree up to 100 degrees) by galactic fields. UHECR radioactivity and decay in flight at hundreds keV is boosted (by huge Lorentz factor (billion) leading to PeVs electrons and consequent synchrotron TeVs gamma offering UHECR-TeV correlated sky anisotropy. Electron and tau neutrinos secondaries at PeVs maybe the first signature of such expected radioactive secondary tail.

研究の動機と目的

• 標準的な陽子主導モデルを超える新しい起源メカニズムを提案することで、長年のUHECR非一様性と源同定の謎を解消すること。
• Cen Aに沿ったUHECRイベントのクラスタリングと、バーヴォー領域からのイベント欠如を、ヘリウムに類似した軽い原子核の脆さに起因すると説明すること。
• 重い原子核の飛行中崩壊によって生じる二次的PeV電子、TeVガンマ線、高エネルギーニュートリノを、UHECRと関連付けること。
• UHECRマップとガンマ線、電波、ニュートリノの非一様性データを照合し、銀河的および銀河外的重い原子核源からの統一的起源を示唆すること。

提案手法

• UHECRの伝播をモデリングし、$^{56}$Ni や $^{60}$Co のローレンツ因子 $\Gamma_{Ni} \sim 10^9 - 10^8$ を用いて、崩壊生成物を観測可能なエネルギー範囲に加速することを考慮する。
• 銀河磁場によるUHECR軌道の曲げ（最大 $\geq 100^\circ$）をシミュレートし、方向のぼやけと源の局在化を説明する。
• 飛行中ベータ崩壊による放射性核の崩壊を分析し、二次的PeV電子を生成させ、TeVエネルギー帯でシンクロtron放射を発生させることを検討する。
• AUGERおよびTAのUHECRイベントマップと、電波408 MHz、コンプトン型MeVガンマ線、TeVガンマ線非一様性の多波長天球マップを照合し、空間的一致を特定する。
• 観測されたUHECR多重事象（例：20 EeVの二重事象）を、ヘリウムに類似したUHECRが飛行中に二次粒子（D, $^3$He, p）に分裂する証拠とみなす。
• Vela、オリオン＝クレブ、フォルナックス／スカルプチャーダークホワイト矮星系などの銀河的源が、特に放射性崩壊を経てUHECRを生成する可能性のある種子として果たす役割を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ近接するバーヴォー領域からUHECRイベントが観測されないのか？これは核の組成によってどのように説明できるか？
• RQ2 飛行中崩壊する放射性重い原子核（例：$^{56}$Ni や $^{60}$Co）が、観測されたTeVガンマ線非一様性とUHECRのクラスタリングを説明できるか？
• RQ3 Cen Aに一致する20 EeVの二重UHECR多重事象の起源は何か？核分裂とどのように関連しているか？
• RQ4 銀河磁場はUHECRの到着方向にどのように影響を与えるか？また、観測された曲げとクラスタリングを説明できるか？
• RQ5 観測されたPeVニュートリノ事象（例：2012年5月のICECUBE）は、UHECRのベータ崩壊に起因する二次生成物として説明できるか？

主な発見

• バーヴォー領域からのUHECRイベント欠如は、20 Mpcの距離を越えて地球に到達する前に破壊するヘリウムに類似したUHECR核の脆さに起因する。
• AUGERおよびTAが観測した20 EeVの二重UHECR多重事象は、Cen Aから出たヘリウムに類似したUHECRが飛行中に二次粒子（D, $^3$He, p）に分裂するのと整合的である。
• ローレンツ因子 $\Gamma \sim 10^9 - 10^8$ を持つ放射性UHECR核（例：$^{56}$Ni や $^{60}$Co）はベータ崩壊によりPeV電子を生成し、検出可能なシンクロtron的TeVガンマ線を発生させる。
• TeVガンマ線非一様性マップは、Cen A、Vela、Fornaxに沿ったUHECRクラスタリングと相関し、崩壊する重い原子核からの共通の起源を示唆する。
• 観測されたPeVニュートリノ事象（2012年5月、ICECUBE）は、UHECRベータ崩壊に起因する $\nu_e$ および $\nu_\tau$ の兆候である可能性があり、検証可能な予測を提供する。
• UHECRマップ、電波408 MHz放射、MeVガンマ線非一様性の相関は、銀河的（Vela、オリオン＝クレブ）および銀河外的（Cen A）源によるUHECRの二重起源を支持する。