[論文レビュー] Understanding the cosmic ray positron flux

P. Lipari|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2019

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

この論文はAMS-02データを用いて、宇宙線陽電子フラックスの起源を調査し、25 GeV近辺のスペクトル硬化と約300 GeV以上のエネルギー領域でのソフトニングが、ダークマターのような新しい一次源ではなく、銀河内でのエネルギー損失を伴う二次陽電子生成に起因する可能性を提案している。主な発見は、陽電子スペクトルの特徴が伝搬効果と整合的であり、特異な源の必要性を疑問視していることである。

ABSTRACT

Recent precision measurements of the flux of cosmic ray positrons by the Alpha Magnetic Spectrometer show that the spectrum has a marked softening feature for energies close to one TeV. A possible interpretation of this result is that the observed feature measures the maximum energy of a new hard source of positrons perhaps associated to dark matter self--annihilation or decay, or to positron accelerators. A gradual hardening of the positron flux centered at $E \simeq 25$~GeV can also be understood as the signature of the transition where the new source overtakes the conventional component due to secondary production. This interpretation is simple and attractive, but it is not unique. The alternative possibility, that the positron flux is entirely of secondary origin, remains viable. In such a scenario the spectral softening observed by AMS for positrons is generated by energy loss effects, and a feature of similar, but not identical structure should be also visible in the $e^-$ spectrum. Spectral features similar to both the hardening and softening of the positron flux are in fact observed for electrons and call for a consistent explanation. Precision measurements of the $e^+$ and $e^-$ spectra in the TeV and multi--TeV energy range are crucial to clarify the problem.

研究の動機と目的

• 観測された宇宙線陽電子フラックスのスペクトル特徴（具体的には25 GeV近辺の硬化と約300 GeV以上のエネルギー領域でのソフトニング）が、二次生成メカニズムによって説明可能かどうかを特定すること。
• 陽電子スペクトルに観測された特徴が、ダークマターや天体的加速器のような新しい一次源を要請するのではなく、伝搬効果（例えばエネルギー損失）と整合的かどうかを評価すること。
• 陽電子スペクトルと電子および反プロトンスペクトルを比較し、レプトンとハドロン種にわたる一貫した伝搬モデルの妥当性を検証すること。
• 高エネルギー領域での陽電子スペクトルの抑制が、ダークマター由来の最大源エネルギーに起因する唯一の兆候であるかどうかを評価すること、あるいは伝搬物理学によっても同様の効果が再現可能かどうかを検討すること。
• 陽電子スペクトルに観測された特徴が、電子スペクトルの特徴とは明確に異なるのか、それとも銀河内での同じ物理的プロセスによって生成可能なのかを明確にすること。

提案手法

• AMS-02陽電子フラックスデータに2成分のパワーロー法則モデルに指数的カットオフを組み合わせた式（式1）を適合させ、太陽のモodulationは力場近似（式2）を用いて取り入れる。
• 前回のAMSおよびPAMELAデータからの電子スペクトルに対しても同じ関数形を適用し、スペクトル特徴の相互比較を可能にする。
• 銀河内伝搬中のレプトンスペクトルに及ぼすエネルギー損失効果の影響を分析し、先行研究（Lipari:2018usj）のモデルを用いてスペクトルの折り返し点やソフトニングを予測する。
• 陽電子と電子におけるスペクトル特徴のエネルギー依存性および形状の類似性を比較し、硬化とソフトニングが構造的に類似しているかどうかを検討する。
• エネルギー損失が観測スペクトルに与える影響をモデル化することで、特に25 GeV付近の遷移領域におけるスペクトル特徴がどのように形成されるかを評価し、二次起源の妥当性を検証する。
• 約800 GeVにおける陽電子スペクトルの抑制が、源のカットオフに起因する唯一の兆候であるかどうかを評価する。特に、電子スペクトルに類似した抑制が観測されていないことから、伝搬効果によっても同様の効果が再現可能かどうかを検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 25 GeV近辺で観測された陽電子スペクトルの硬化が、二次生成支配領域から一次起源支配領域への遷移に起因するものであり、新しい源に起因するものではないか？
• RQ2 約800 GeVにおける陽電子スペクトルの高エネルギー領域でのソフトニングは、源の最大エネルギーに起因するものと解釈すべきか、それとも伝搬中のエネルギー損失の結果と解釈すべきか？
• RQ3 陽電子と電子スペクトルに観測されたスペクトル特徴は、同じ物理的プロセスに起因するのか、それとも異なる源モデルを要請するのか？
• RQ4 観測された陽電子スペクトルが、ダークマターや陽電子加速器のような特異源を仮定せずに、二次生成と伝搬効果によって完全に説明可能か？
• RQ5 陽電子と電子のスペクトル特徴の形状と位置の違いが、一貫した伝搬モデルに整合するのか、それとも異なる源集団を示唆するのか？

主な発見

• 25 GeV付近の陽電子フラックスのスペクトル硬化は、低エネルギー領域で二次生成が支配的であるのに対し、高エネルギー領域でより硬い成分（おそらく新しい源由来）が支配的になる遷移に起因するものと整合的である。
• 最も良いフィットで得られたカットオフエネルギー $ E_s = 810^{+310}_{-180} $ GeV を持つ陽電子スペクトルの高エネルギー領域でのソフトニングは、源の最大エネルギーに起因するものではないと示唆されており、伝搬中のエネルギー損失効果によっても同様に生じ得る。
• 陽電子スペクトルに観測された特徴は、電子スペクトルの特徴と定性的に類似しており、両者とも同じ伝搬物理学（特にエネルギー損失効果）によって生成可能である可能性を示唆している。
• 陽電子スペクトルの抑制は、電子スペクトルのそれよりも広く、低エネルギー側に集中しているため、陽電子のソフトニングが源のカットオフに起因するだけでは説明できない。
• 陽電子の大部分が二次起源であり、スペクトル特徴が伝搬効果によって形作られるモデルは、現在のデータでは排除されず、依然として妥当な可能性を有している。
• 電子と陽電子のスペクトル特徴の形状や位置の違いは理論的不確実性を生じさせるが、陽電子の二次起源を否定する決定的な根拠にはならない。