[논문 리뷰] Galactic cosmic ray propagation: sub-PeV diffuse gamma-ray and neutrino emission

Bing-Qiang Qiao, Wei Liu외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 08.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 타이타닉 AS³ 실험에서 관측된 1 PeV 이하의 확산 감마선의 기원을 우주선 확산 모델을 사용하여 조사한다. 이는 관측된 감마선과 국지적 우주선 측정치 사이의 괴리가 있음을 발견하며, 은하수성 우주선이 관측된 고에너지 중성미자 플럭스의 최대 15%만 기여할 수 있음을 결론 내린다. 대부분의 중성미자는 은하간 원천에서 유래한다.

ABSTRACT

The Tibet ASgamma experiment just reported their measurement of sub-PeV diffuse gamma ray emission from the Galactic disk, with the highest energy up to 957 TeV. These gamma-rays are most likely the hadronic origin by cosmic ray interaction with interstellar gas in the Galaxy. This measurement provides direct evidence to the hypothesis that the Galactic cosmic rays can be accelerated beyond PeV energies. In this work, we try to explain the sub-PeV diffuse gamma-ray spectrum within cosmic rays diffusive propagation model. We find there is a tension between the sub-PeV diffuse gamma rays and the local cosmic ray spectrum. To describe the sub-PeV diffuse gamma-ray flux, it generally requires larger local cosmic-ray flux than measurement in the knee region. We further calculate the PeV neutrino flux from the cosmic ray propagation model. Even all of these sub-PeV diffuse gamma rays originate from the propagation, the Galactic neutrinos only account for less than ~15% of observed flux, most of which are still from extragalactic sources.

연구 동기 및 목표

• 최근 관측된 은하수성 디스크에서의 1 PeV 이하의 확산 감마선 방출을 우주선 확산 모델을 사용하여 설명하기 위해.
• 관측된 1 PeV 이하 감마선 플럭스와 국지적 우주선 측정치(약 4 PeV의 무릎 영역) 사이의 일관성 여부를 평가하기 위해.
• IceCube가 관측한 확산 고에너지 중성미자 플럭스에 대한 은하수성 우주선 확산의 기여도를 평가하기 위해.
• 현재의 확산 모델(균일한 확산 및 SDP 모델)이 동시에 1 PeV 이하 감마선 데이터와 국지적 우주선 스펙트럼을 재현할 수 있는지 테스트하기 위해.
• 헤드로닉 상호작용을 통해 은하수성 원천으로 기인할 수 있는 관측된 천체물리적 중성미자 플럭스의 최대 비율을 결정하기 위해.

제안 방법

• 균일한 확산 및 두 가지 유형의 공간적으로 의존하는 확산(SDP) 모델을 포함한 세 가지 우주선 확산 모델을 사용한다.
• GALPROP 소프트웨어를 적용하여 우주선 확산을 시뮬레이션하고, 히드론적 상호작용에서 π 중간입자 붕괴에 의해 발생하는 감마선 및 중성미자 플럭스를 계산한다.
• 동일한 히드론적 상호작용에서 중성미자 스펙트럼을 계산하기 위해 DRAGON 코드를 사용하며, 감마선과 중성미자 간의 에너지 의존 비율을 고려한다.
• 모델 예측 감마선 플럭스를 100 TeV에서 1 PeV 사이의 확산 방출에 대해 타이타닉 AS³ 실험의 측정치와 비교한다.
• IceCube 7.5년치 중성미자 데이터(구형 지수 γ = -2.87)를 기준으로 하여 은하수성 기여도가 관측된 중성미자 플럭스에 미치는 영향을 평가한다.
• 국지적 우주선 원천 정규화를 1 PeV 이하 감마선 데이터에 맞추어 조정한 후, 그로 인해 유도된 중성미자 플럭스가 관측치와 어떻게 비교되는지 평가한다.

Fig. 1: Calculation of B/C ratio to obtain the propagation parameters in HD, SDP-A and SDP-B models, with B/C data taken from the AMS-02 measurement (Aguilar et al., 2016 ) .

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재의 우주선 확산 모델이 은하수성 디스크에서 관측된 1 PeV 이하의 확산 감마선 플럭스를 설명할 수 있는가?
• RQ2 1 PeV 이하 감마선 데이터를 재현하기 위해 필요한 국지적 우주선 플럭스 수준은 무엇이며, 그 수준이 약 10 PeV에서의 직접 측정치와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 은하수성 우주선 확산이 관측된 고에너지 중성미자 플럭스에 어느 정도 기여할 수 있는가?
• RQ4 확산 모델 선택(균일한 확산 대비 SDP)이 예측된 감마선 및 중성미자 스펙트럼에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 1 PeV 이하 감마선 관측치와 국지적 우주선 스펙트럼 사이에 일관성 없는 점이 존재하는가? 이는 확산 모델 수정 또는 추가 원천이 필요함을 시사하는가?

주요 결과

• SDP-B 확산 모델이 관측된 1 PeV 이하의 확산 감마선 플럭스를 가장 잘 재현하지만, 이는 국지적 우주선 플럭스가 약 10 PeV에서 관측된 전입자 스펙트럼을 초월해야 한다는 전제가 필요하다.
• 가장 유리한 SDP-B 모델 조건에서도 1 TeV(25° < l < 100°) 및 100 TeV 이상(50° < l < 200°)에서 예측 감마선 플럭스가 관측치를 미치지 못한다.
• 은하수성 우주선 확산으로부터 계산된 확산 중성미자 플럭스는 관측된 IceCube 플럭스의 최대 약 15%에 불과하며, 이는 대부분의 고에너지 중성미자가 은하간 기원임을 시사한다.
• SDP-B 모델은 국지적 우주선 플럭스를 현저히 증가시켜야 하며, 이는 직접 측정치와 충돌하고, 약 20 TeV에서 우주선 핵의 연약한 경향을 재현하지 못한다.
• 관측된 1 PeV 이하 감마선은 확산만으로는 완전히 설명되지 않을 수 있으며, 시리우스 코코넛과 같은 분해되지 않은 또는 근접한 PeVatron 기여가 있을 수 있다.
• 1 PeV 이하 감마선 관측치와 국지적 우주선 데이터 사이의 괴리는 확산 모델 수정(은하수성 중심 근처에서 더 딱딱한 스펙트럼 유지)이 필요할 수 있음을 시사한다.

Fig. 2: Calculated proton and helium energy spectra in propagation models of HD, SDP-A and SDP-B. The proton and helium data are taken from AMS-02 (Aguilar et al., 2015 , 2017 ) , CREAM-II (Yoon et al., 2017 ) , NUCLEON (Atkin et al., 2017 ) , DAMPE (An et al., 2019 ) and KASCADE (Apel et al., 2013