[논문 리뷰] Acceleration and Particle Field Interactions of Cosmic Rays II: Calculations

Abdel Nasser Tawfik, A. Saleh외 2명|arXiv (Cornell University)|2010. 10. 28.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 펌프-메커니즘을 제외한 플라즈마 필드 상호작용을 기반으로 초고에너지 우주선(UHECRs)을 위한 일반적인 가속 모델을 제안한다. 네 가지의 드리프트 유형—$\mathbf{E} \times \mathbf{B}$, 편극, 곡률, 기울기 E 드리프트—에서 에너지 증가를 계산한 결과, 시간에 따라 변하는 자기장에서 기울기 E 드리프트가 수소 이온을 약 10^22 eV까지 가속시킬 수 있으며, 이는 GZK 절단값을 초월하고 힐라스 메커니즘과 맞먹는다.

ABSTRACT

Based on the generic acceleration model, which suggests different types of electromagnetic interactions between the cosmic charged particles and the different configurations of the electromagnetic (plasma) fields, the ultra high energy cosmic rays are studied. The plasma fields are assumed to vary, spatially and temporally. The well-known Fermi accelerations are excluded. Seeking for simplicity, it is assumed that the energy loss due to different physical processes is negligibly small. The energy available to the plasma sector is calculated in four types of electromagnetic fields. It has been found that the drift in a time--varying magnetic field is extremely energetic. The energy scale widely exceeds the Greisen-Zatsepin-Kuzmin (GZK) cutoff. The polarization drift in a time--varying electric field is also able to raise the energy of cosmic rays to an extreme value. It can be compared with the Hillas mechanism. The drift in a spatially--varying magnetic field is almost as strong as the polarization drift. The curvature drift in a non--uniform magnetic field and a vanishing electric field is very weak.

연구 동기 및 목표

• 우주선의 초고에너지 가속 메커니즘을 전자기적 플라즈마 필드 상호작용을 통해 비펌프 메커니즘으로 조사한다.
• 다양한 전자기장 구성에서 플라즈마 드리프트 메커니즘의 에너지 증가를 평가한다.
• 플라즈마 필드 상호작용이 그레이젠-자츠핀-쿠즈민(GZK) 절단값을 초월하는 에너지를 생성할 수 있는지 평가한다.
• 편극 및 기울기 E 드리프트를 포함한 다양한 드리프트 메커니즘의 효과성을 힐라스 메커니즘과 비교한다.

제안 방법

• T와피크:2010jh에서 제안한 일반적인 가속 모델을 적용하였으며, 전자기장의 공간적 및 시간적 변동을 가정하였다.
• 네 가지 유형의 플라즈마 드리프트를 분석하였다: $\mathbf{E} \times \mathbf{B}$, 편극, 곡률, 기울기 E 드리프트.
• 에너지 증가는 필드 구성과 보존 법칙에서 유도된 일반형 $\mathcal{E} = 2q\mathbf{E} \cdot \mathbf{r}$을 사용하여 계산하였다.
• 방사 에너지 손실(예: 싱크로트론, 브레멘스트라할루션)은 무시하고, 필드 상호작용 기여만을 중심으로 분석하였다.
• 물리적 일관성을 확보하기 위해 자기유체역학(MHD) 조건인 $\mathbf{E} \cdot \mathbf{B} = 0$ 및 $\mathbf{E} = -\mathbf{V} \times \mathbf{B}$를 적용하였다.
• 질량 $m$과 전하 $q$를 가진 입자를 대상으로 수치 계산을 수행하였으며, 初기 속도는 유한하거나 0으로 가정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 펌프 메커니즘을 제외한 플라즈마 필드 상호작용이 GZK 절단값을 초월하는 초고에너지 우주선을 생성할 수 있는가?
• RQ2 시간에 따라 변하는 자기장에서 $\mathbf{E} \times \mathbf{B}$, 편극, 곡률, 기울기 E 드리프트 중 어느 것이 우주선의 에너지 증가에 가장 기여하는가?
• RQ3 시간에 따라 변하는 자기장에서의 에너지 증가는 힐라스 메커니즘과 비교해 볼 때 도달 가능한 에너지 척도에서 어떻게 다른가?
• RQ4 공간적 및 시간적 전자기장 변화가 기존 모델을 초월해 입자 가속을 얼마나 강화하는가?
• RQ5 시간에 따라 변하는 자기장에서 기울기 E 드리프트가 패러데이 법칙과 필드 역학에 따라 약 10^22 eV 수준의 에너지를 생성할 수 있는가?

주요 결과

• 시간에 따라 변하는 자기장에서 기울기 E 드리프트가 가장 높은 에너지 증가를 유도하며, 수소 이온을 약 10^22 eV까지 가속시킬 수 있다. 이는 약 10^19.7 eV인 GZK 절단값을 크게 초월한다.
• 시간에 따라 변하는 전기장에서의 편극 드리프트는 매우 효과적이며, 힐라스 메커니즘과 비교할 만한 에너지 척도에 도달할 수 있다.
• 공간적으로 변하는 자기장에서의 드리프트는 편극 드리프트와 거의 동일한 에너지 증가를 유도하며, 강력한 가속 잠재력을 보인다.
• 전기장이 없는 비균일한 자기장에서의 곡률 드리프트는 매우 약하며, 몇 MeV 수준에 불과하여 상대론적 영역에서는 무시할 수 있다.
• $\mathbf{E} \times \mathbf{B}$ 드리프트 및 기타 표준 드리프트는 극단적인 에너지를 달성하는 데 기울기 E 드리프트 및 편극 드리프트보다 효과가 떨어진다.
• 에너지 손실을 무시한 상태에서도 모델은 플라즈마 필드 상호작용만으로도 펌프 가속 또는 이국적인 물리학을 도입하지 않고도 UHECR 에너지를 설명할 수 있음을 보여준다.