[논문 리뷰] Measurements of Cosmic-Ray Proton and Helium Spectra from the BESS-Polar Long-Duration Balloon Flights Over Antarctica

K. C. Kim, A. Horikoshi외 23명|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 03.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 20인용 수 54

한 줄 요약

이 논문은 2004년과 2007년에 남극에서 수행된 두 차례의 장기 고도 방향 기구 비행을 통해 우주선 수소 및 He 스펙트럼을 고정밀도로 측정한다. 수소는 0.2–160 GeV의 운동에너지 범위에서, He는 0.15–80 GeV/nucleon 범위에서 측정되었다. 주요 결과로는 10 GV 이상의 강성도에서 두 스펙트럼이 모두 단일 멱법칙으로 잘 기술되며, 2007년에 수소 대 He의 스레드 비율은 단일 멱법칙으로 잘 맞아떨어지며 스펙트럼 기울기 차이 ΔγR = −0.086 ± 0.004(stat) ± 0.022(syst)를 보였다. 이는 고강성도에서 AMS-02 및 PAMELA의 결과와 일치한다.

ABSTRACT

The BESS-Polar Collaboration measured the energy spectra of cosmic-ray protons and helium during two long-duration balloon flights over Antarctica in December 2004 and December 2007, at substantially different levels of solar modulation. Proton and helium spectra probe the origin and propagation history of cosmic rays in the galaxy, and are essential to calculations of the expected spectra of cosmic-ray antiprotons, positrons, and electrons from interactions of primary cosmic-ray nuclei with the interstellar gas, and to calculations of atmospheric muons and neutrinos. We report absolute spectra at the top of the atmosphere for cosmic-ray protons in the kinetic energy range 0.2-160 GeV and helium nuclei 0.15-80 GeV/nucleon. The corresponding magnetic rigidity ranges are 0.6-160 GV for protons and 1.1-160 GV for helium. These spectra are compared to measurements from previous BESS flights and from ATIC-2, PAMELA, and AMS-02. We also report the ratio of the proton and helium fluxes from 1.1 GV to 160 GV and compare to ratios from PAMELA and AMS-02.

연구 동기 및 목표

• 남극 상공 장기 고도 기구 비행 중 대기 상단에서 절대 우주선 수소 및 He 스펙트럼을 측정하기 위해.
• 2004년과 2007년의 다른 태양 조절 조건 하에서 수소 및 He 스레드의 에너지 의존성을 조사하기 위해.
• 넓은 강성도 범위(1.1–160 GV)에서 수소 대 He 스레드 비율을 결정하여 우주선 확산 및 원천 모델을 시험하기 위해.
• 반입자, 양전자 및 대기 중 뮤온 및 뉴트리노와 같은 2차 우주선 생성물의 계산에 정밀한 입력 자료를 제공하기 위해.

제안 방법

• 2004년 12월(BESS-Polar I)과 2007년(BESS-Polar II)에 남극 상공에서 장기 고도 기구 비행(LDB)을 수행하여, 낮은 지자기 마이너스 조건에서 안정적인 관측을 달성하였다.
• 에너지 임계값을 낮추고 입자 식별을 향상시키기 위해 고기하적 수확률이 높고 물질 비용이 낮은 초전도 스펙트로미터를 사용하였다.
• 수소의 경우 0.6–160 GV, He의 경우 1.1–160 GV의 입자 강성도(R = pc/Ze)를 측정하였으며, 대기 상단으로의 스레드를 보정하였다.
• 정확한 비율 결정을 위해 수소 데이터를 He 에너지 구간에 맞추어 재빈닝하였다.
• 20 GV 이상에서 수소 대 He 스레드 비율을 단일 멱법칙으로 피팅하여 스펙트럼 기울기 차이 ΔγR를 추출하였다.
• 결과를 ATIC-2, PAMELA 및 AMS-02 데이터와 비교하여 일관성과 태양 조절 효과를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다른 태양 조절 단계에서 우주선 수소 및 He 핵의 절대 스펙트럼은 각각 0.2–160 GeV 및 0.15–80 GeV/nucleon 범위에서 어떻게 변화하는가?
• RQ2 BESS-Polar I 및 II가 측정한 수소 및 He 스펙트럼은 단일 멱법칙에서 얼마나 벗어나며, 이는 우주선 확산 모델에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ3 수소 대 He 스레드 비율은 자기 강성도에 따라 어떻게 변화하며, 태양 조절 및 2차 생성 모델의 예측과 일치하는가?
• RQ4 측정된 스펙트럼과 비율은 특히 고강성도(>10 GV)에서 AMS-02 및 PAMELA와 일치하는가?
• RQ5 수소 대 He 비율의 관측된 강성도 의존성은 우주선 원천 및 가속 메커니즘의 맥락에서 어떤 의미를 갖는가?

주요 결과

• BESS-Polar I(2004)와 BESS-Polar II(2007)가 측정한 수소 스펙트럼은 고에너지에서 유의미한 차이가 없으며, 최고 강성도(160 GV)에서 상대적 편차가 1% 미만이었다.
• 수소 및 He 스펙트럼은 모두 10 GV 이상에서 단일 멱법칙으로 잘 기술되며, 수소의 경우 스펙트럼 기울기 γR = −2.84 ± 0.01(stat) ± 0.03(syst), He의 경우 γR = −2.75 ± 0.01(stat) ± 0.03(syst)였다.
• 수소 대 He 스레드 비율은 10 GV 이상에서 단일 멱법칙으로 잘 맞으며, BESS-Polar II의 스펙트럼 기울기 차이 ΔγR = −0.086 ± 0.004(stat) ± 0.022(syst)였다.
• 측정된 수소 대 He 비율은 10 GV 이상에서 AMS-02 데이터와 1σ 오차 범위 내에서 잘 일치하였으며, PAMELA의 비율은 약간 더 높고 평탄하였다.
• 측정된 수소 대 He 비율의 강성도 의존성은 20 GV 이상에서 태양 조절 영향이 거의 없음을 시사하며, 고에너지 우주선 모델의 견고성을 뒷받침한다.
• 이 결과들은 반입자, 양전자 및 대기 중 뮤온 및 뉴트리노와 같은 2차 우주선 스펙트럼 모델링에 중요한 입력 자료를 제공한다.