[논문 리뷰] A Fit to the Galactic Cosmic Ray Hydrogen and Helium Spectra at Voyager 1 at Low Energies and Earth Based Measurements at Much Higher Energies with Identical Rigidity Independent Source Spectra for the Hydrogen and Helium Nuclei

W. R. Webber, P. R. Higbie|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 03.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 헬리오파울러를 초월한 바이저너 1의 저에너지 측정값(3–600 MeV/nuc)에서부터 지구 기반 고에너지 데이터(최대 100 GeV/nuc)에 이르기까지 광범위한 에너지 범위에서 은하계 간극자리 빛자기파 수소 및 헬륨 스펙트럼의 통합적 피팅을 제시한다. 강성 독립적인 원천 스펙트럼(거듭제곱 지수 −2.28)과 강성에 따라 변하는 확산 경로 길이(P⁻⁰.⁵, 1 GV 이상일 경우, 가능하면 1 GV 이하일 경우 P¹.⁰)를 포함하는 가중치가 부여된 뚫린 상자 모델을 사용하여, 모든 에너지 영역에서 뛰어난 일치를 이룩하였으며, 은하계 내에서 수소 및 헬륨 핵의 공통 기원을 시사한다.

ABSTRACT

Voyager 1 data from beyond the heliopause provide the first direct measurements of the interstellar cosmic ray spectra below 1 GeVnuc. In this paper we combine these Voyager measurements of H and He nuclei from 3-600 MeVnuc with higher energy measurements at 1 AU from the BESS and PAMELA experiments up to 100 GeVnuc. Using a Weighted Leaky Box Model for propagation in the galaxy, we obtain an excellent fit to these new Voyager observations and the much higher energy spectra up to 100 GeVnuc by using source spectra which are P-2.28, with the exponent independent of rigidity from low to high rigidities; along with a rigidity dependence of the diffusion path length which is P-0.5 at rigidities 1.00 GV, and possibly changing to P1.0 at lower rigidities.

연구 동기 및 목표

• 바이저너 1의 저에너지 은하계 간극자리 스펙트럼을 1 AU에서의 고에너지 측정값과 조율하기.
• 수소 및 헬륨 핵이 광범위한 강성 범위에서 동일한 원천 스펙트럼을 공유하는지 확인하기.
• 가중치가 부여된 뚫린 상자 모델이 1 GeV/nuc 이하에서 100 GeV/nuc에 이르는 간극자리 파동 전파를 기술하는 데 일관되게 적용되는지 테스트하기.
• 은하계 간극자리 전파 모델에서 확산 경로 길이의 강성 의존성을 조사하기.
• 단일의 강성 독립 원천 스펙트럼이 극명하게 다른 에너지 영역에서 수소 및 헬륨 간극자리 데이터를 모두 설명할 수 있는지 평가하기.

제안 방법

• 1 GeV/nuc 이하에서 바이저너 1의 직접 측정값(수소 및 헬륨 핵)과 1 AU에서의 BESS 및 PAMELA의 고에너지 데이터(최대 100 GeV/nuc)를 통합한다.
• 에너지 의존성 있는 확산과 이온화 에너지 손실을 포함하여 은하계 간극자리 전파를 시뮬레이션하기 위해 가중치가 부여된 뚫린 상자 모델을 적용한다.
• 유일성 테스트를 위해 수소 및 헬륨에 대해 강성에 독립적인 원천 스펙트럼(E⁻².²⁸)을 가정한다.
• 두 영역의 확산 경로 길이 의존성을 도입: 1 GV 이상일 경우 P⁻⁰.⁵, 1 GV 이하일 경우 가능하면 P¹.⁰으로 데이터 피팅을 향상시킨다.
• 측정 불확도를 고려하여 전체 에너지 범위에서 잔차를 최소화하기 위해 가중치가 부여된 최소 제곱 피팅을 수행한다.
• 모델을 사용하여 전체 에너지 범위에서 수소 및 헬륨 스펙트럼의 형태를 예측하고, 관측 결과와의 일관성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일의 강성 독립 원천 스펙트럼이 저에너지에서 고에너지에 이르기까지 수소 및 헬륨 간극자리 스펙트럼을 모두 설명할 수 있는가?
• RQ2 은하계에서의 확산 경로 길이는 강성에 따라 어떻게 달라지며, 이 의존성은 에너지 영역에 따라 변화하는가?
• RQ3 3 MeV/nuc에서 100 GeV/nuc에 이르는 범위에서 관측된 수소 및 헬륨 간극자리 스펙트럼이 동일한 주입 스펙트럼과 일관한가?
• RQ4 가중치가 부여된 뚫린 상자 모델이 바이저너 1 및 지구 기반 측정값을 정확히 재현하는가?
• RQ5 전체 에너지 범위에서 스펙트럼 형태를 설명하는 데 가장 적합한 확산 경로 길이의 강성 의존성은 무엇인가?

주요 결과

• 모델은 수소 및 헬륨 핵에 대해 바이저너 1의 저에너지 데이터(3–600 MeV/nuc)와 고에너지 지구 기반 측정값(최대 100 GeV/nuc) 모두에 뛰어난 피팅을 달성한다.
• 거듭제곱 지수 −2.28인 원천 스펙트럼은 강성에 관계없이 수소 및 헬륨 데이터와 일치하며, 통일된 주입 스펙트럼을 지지한다.
• 강성이 1 GV 이상일 경우 확산 경로 길이의 P⁻⁰.⁵ 의존성이 가장 적합하며, 외부 은하계에서의 부드러운 에너지 의존성을 시사한다.
• 강성이 1 GV 이하일 경우 P¹.⁰ 의존성이 가능성이 있으며, 이는 저에너지 영역에서 피팅을 향상시켜 저강성 영역에서 전파 물리의 변화를 시사한다.
• 에너지 범위 10개 디아드에 걸쳐 일관된 피팅은 가중치가 부여된 뚫린 상자 모델이 은하계 간극자리 전파에 대해 타당하다는 강력한 증거를 제공한다.
• 결과는 수소 및 헬륨 핵이 은하계 간극자리 대류에 주입되는 동일한 물리적 메커니즘에 기인할 가능성이 높다는 것을 시사한다.