[논문 리뷰] A Hadronic Scenario for the Galactic Ridge

Daniele Gaggero, Dario Grasso외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 15.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 13인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 페르미-LAT와 H.E.S.S.가 관측한 디퓨전형 감마선 스펙트럼을 설명하는 데 사용되는 반경 방향에 의존하는 우주선 운반 모델(KRA γ)을 도입하여 은하계 고리의 확산 감마선 및 뉴트리노 복사의 강입자 기원을 제안한다. 이 모델은 페르미-LAT가 관측한 경량 감마선 스펙트럼을 잘 설명하며, 내부 은하계에서 뉴트리노 복사가 크게 증가함을 예측하여 아이스컵의 천체 뉴트리노 복사와 앤티레스 상한선과 일치한다. 또한, KM3NeT는 4년 간의 관측 데이터로 이 모델을 전통적인 모델과 구별할 수 있을 것으로 기대된다.

ABSTRACT

Several observations from Fermi-LAT, up to few hundred GeV, and from H.E.S.S., up to $\sim$ 10 TeV, reported an intense $γ$-ray emission from the inner part of the Galactic plane. After the subtraction of point-like contributions, the remaining $γ$-ray spectrum can provide important hints about the cosmic-ray (CR) population in that region. In particular, the diffuse spectrum measured by both Fermi-LAT and H.E.S.S. in the Galactic Ridge is significantly harder with respect to the rest of the Galaxy. These results were recently interpreted in terms of a comprehensive CR transport model which, adopting a spatial dependent diffusion coefficient and convective velocity, reproduces Fermi-LAT results on the whole sky as well as local CR spectra. We showed as that model predicts a significantly harder neutrino diffuse emission compared to conventional scenarios: The predicted signal is able to account for a significant fraction of the astrophysical flux measured by IceCube. In this contribution, we use the same setup to calculate the expected neutrino flux from several windows in the inner Galactic plane and compare the results with IceCube observations and the sensitivities of Mediterranean neutrino telescopes. In particular, for the ANTARES experiment, we compare the model expectations with the upper limits obtained from a recent unblinded data-analysis focused on the galactic ridge region. Moreover, we also show the expectations from the galactic ridge for the future KM3NeT observatory, whose position is optimal to observe this portion of the sky.

연구 동기 및 목표

• 기존의 우주선 운반 모델이 예측하는 것보다 더 경량인 은하계 고리 영역의 디퓨전형 감마선 스펙트럼을 설명하기 위해.
• 내부 은하계에서 페르미-LAT와 H.E.S.S. 감마선 데이터를 재현하기 위해 반경 방향에 의존하는 우주선 확산 계수와 대류 풍의 조합이 가능한지 조사하기 위해.
• 이 모델이 확산 뉴트리노 복사에 미치는 영향, 특히 아이스컵이 관측한 천체 뉴트리노 복사의 맥락에서의 의미를 평가하기 위해.
• 기존의 뉴트리노 제약 조건(아이스컵 및 앤티레스)과의 비교를 통해 향후 KM3NeT 관측의 민감도를 평가하기 위해.
• 은하계 고리가 특히 아이스컵의 이 지역에 대해 낮은 각도 해상도를 가진 점을 감안할 때, 확산 은하계 뉴트리노의 주요 기원이 될 수 있는지 여부를 판단하기 위해.

제안 방법

• 확산 계수의 강성 스케일링 지수 δ와 대류 속도에 반경 방향 의존성을 포함한 수정된 우주선 운반 모델(KRA γ)을 채택한다.
• 우주선의 전파를 시뮬레이션하고 은하계 고리 영역의 감마선 및 뉴트리노 스펙트럼을 예측하기 위해 DRAGON 코드를 사용한다.
• 밀도 높은 분자 가스 내에서 양성자-양성자 충돌에 의한 π 중간입자 붕괴를 가정하여, 내부 은하계 평면의 기대 뉴트리노 복사량을 계산하기 위해 동일한 모델을 적용한다.
• 페르미-LAT 및 H.E.S.S. 감마선 데이터(스펙트럼 지수 및 복사량 포함)와의 비교를 통해 모델 예측을 평가한다.
• 3–300 테바볼트 에너지 범위에서 아이스컵(30 테바볼트 이상 37개 사건) 및 앤티레스(1500일의 작동 시간, 90% 신뢰수준 상한선)의 제약 조건을 평가한다.
• 4년 간의 데이터 수집 기간 동안 향후 KM3NeT 관측소의 민감도를 프로젝션하여 KRA γ 모델과 전통적 모델을 구별할 수 있는지 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반경 방향에 의존하는 우주선 확산 모델이 페르미-LAT와 H.E.S.S.가 은하계 고리에서 관측한 경량 감마선 스펙트럼을 설명할 수 있는가?
• RQ2 이 강입자 시나리오 하에서 은하계 고리의 예측된 확산 뉴트리노 복사량은 무엇이며, 아이스컵의 천체 뉴트리노 복사와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 현재의 뉴트리노 실험(예: 앤티레스 및 아이스컵)이 KRA γ 모델을 어느 정도 제약할 수 있는가?
• RQ4 향후 KM3NeT 관측이 KRA γ 모델과 전통적인 우주선 운반 모델을 구별할 수 있는가?
• RQ5 이 시나리오 하에서 아이스컵의 고에너지 뉴트리노 사건 중 어느 정도가 은하계 고리에서 기인할 수 있는가?

주요 결과

• KRA γ 모델은 페르미-LAT 및 H.E.S.S.가 관측한 은하계 고리 영역의 경량 감마선 스펙트럼을 잘 재현하며, 스펙트럼 지수는 Γ ≈ -2.29이다.
• 이 모델은 20 테바볼트 이상의 에너지에서 기존 모델보다 몇 배 높은 내부 은하계 평면의 뉴트리노 복사량을 예측한다.
• 3–300 테바볼트 뉴트리노에 대해 앤티레스의 90% 신뢰수준 상한선과 일치하는 은하계 고리의 예측 뉴트리노 복사량을 제공한다.
• 이 모델은 아이스컵이 관측한 37개의 고에너지 뉴트리노 사건 중 10–40%를 설명할 수 있으며, 무릎 영역의 우주선 스펙트럼 세부 사항에 따라 달라진다.
• KM3NeT는 뛰어난 각도 해상도와 상행하는 뮤온 뉴트리노 감지 민감도 덕분에 4년 간의 데이터 수집 기간 내에 KRA γ 모델을 전통적 모델과 구별할 수 있을 것으로 예상된다.
• 특히 고에너지 영역에서 타당한 렙톤 기반 대안이 없는 점을 감안할 때, 은하계 고리 복사의 강입자 기원은 모델이 감마선 및 뉴트리노 데이터와의 일치성 덕분에 강력히 지지된다.