[論文レビュー] Ultrahigh energy cosmic rays and high energy astrophysical neutrinos

Marco Stein Muzio, Glennys R. Farrar+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、超高エネルギー宇宙線（UHECR）と高エネルギー天体ニュートリノの共同制約を調査し、光子優勢の源環境がガス優勢のものよりもUHECRデータをよりよく説明することを示している。一方、ガス優勢の源は現在のニュートリノ制限と矛盾する。正確なペブロン範囲のニュートリノ測定は、拡散的衝撃加速を検証し、源環境を区別するのに役立つ。

ABSTRACT

We explore the joint implications of ultrahigh energy cosmic ray (UHECR) source environments -- constrained by the spectrum and composition of UHECRs -- and the observed high energy astrophysical neutrino spectrum. Acceleration mechanisms producing power-law CR spectra $\propto E^{-2}$ are compatible with UHECR data, if CRs at high rigidities are in the quasi-ballistic diffusion regime as they escape their source environment. Both gas- and photon-dominated source environments are able to account for UHECR observations, however photon-dominated sources do so with a higher degree of accuracy. However, gas-dominated sources are in tension with current neutrino constraints. Accurate measurement of the neutrino flux at $\sim 10$ PeV will provide crucial information on the viability of gas-dominated sources, as well as whether diffusive shock acceleration is consistent with UHECR observations. We also show that UHECR sources are able to give a good fit to the high energy portion of the astrophysical neutrino spectrum, above $\sim$ PeV. This common origin of UHECRs and high energy astrophysical neutrinos is natural if air shower data is interpreted with the extsc{Sibyll2.3c} hadronic interaction model, which gives the best-fit to UHECRs and astrophysical neutrinos in the same part of parameter space, but not for EPOS-LHC.

研究の動機と目的

• ガスおよび光子優勢の源環境が、超高エネルギー宇宙線（UHECR）観測を説明可能かどうかを評価すること。
• UHECR加速メカニズムが観測された高エネルギー天体ニュートリノスペクトルと整合するかどうかを評価すること。
• 拡散的衝撃加速が、UHECRスペクトルとニュートリノフラックスの両方を同時に説明できるかどうかを評価すること。
• Sibyll2.3cまたはEPOS-LHCのどちらのハドロン相互作用モデルが、共通のパラメータ空間においてUHECRとニュートリノデータを最もよく調和させるかを評価すること。
• 将来のペブロン範囲のニュートリノ測定が、UHECR源物理学を制約する役割を果たすかを特定すること。

提案手法

• 高剛性で準球形拡散を仮定し、パワー則スペクトル ∝ E⁻² の源環境におけるUHECR加速をモデル化する。
• Sibyll2.3cおよびEPOS-LHCのハドロン相互作用モデルを用いて、大気シャワーの発展をシミュレートし、UHECRデータとの予測を比較する。
• 観測されたUHECRスペクトルおよび組成に制約を適用し、源環境の適合性を評価する。
• UHECR源からの予測ニュートリノフラックスを、~1 PeV以上の観測された高エネルギー天体ニュートリノスペクトルと比較する。
• IceCubeおよび他の実験からの現在のニュートリノフラックス制限と、ガス優勢の源モデルとの間に生じる矛盾を評価する。
• 異なる源環境において、拡散的衝撃加速がUHECRおよびニュートリノデータの両方と整合するかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ガス優勢の源環境は、UHECRデータと現在の高エネルギーニュートリノ制限の両方を同時に説明可能か？
• RQ2 光子優勢の源環境は、ガス優勢のものよりもUHECR観測に適合するか？
• RQ3 拡散的衝撃加速は、UHECRスペクトルおよび1 PeV以上の観測された天体ニュートリノフラックスの両方と整合するか？
• RQ4 Sibyll2.3cまたはEPOS-LHCのどちらのハドロン相互作用モデルが、同じパラメータ空間でUHECRと高エネルギーニュートリノデータを最もよく調和させるか？
• RQ5 将来のペブロン範囲のニュートリノ測定は、ガス優勢と光子優勢のUHECR源環境を区別するためにどのように役立つか？

主な発見

• 高剛性で準球形拡散を受ける宇宙線が、パワー則スペクトル ∝ E⁻² である場合、UHECRデータと整合する。
• 光子優勢の源環境は、ガス優勢の環境よりもUHECR観測に適合しやすい。
• ガス優勢の源は、現在の高エネルギーニュートリノ制限と矛盾しており、好ましくない可能性がある。
• 約10 PeVでのニュートリノフラックスの正確な測定は、ガス優勢の源の妥当性を解明し、拡散的衝撃加速の整合性を検証する手がかりとなる。
• UHECR源は、~1 PeV以上の高エネルギー部分の天体ニュートリノスペクトルを同時に説明できる。
• Sibyll2.3cハドロン相互作用モデルは、同じパラメータ空間でUHECRおよび高エネルギーニュートリノデータの両方に最良の適合を示すが、EPOS-LHCはそうではない。