[논문 리뷰] On the Positron Fraction and the Spectrum of the Electronic Component in Cosmic Rays

R. Cowsik, B. Burch|ArXiv.org|2009. 05. 13.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 1인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 펄라(PAMELA)가 측정한 고에너지에서 관측된 양성자 비율의 상승 현상이 우주선 전파 모델, 특히 중첩된 누출 상자 모델에 의해 자연스럽게 설명됨을 보여준다. 이 모델은 초고에너지에서의 점 渐진 양성자 비율이 약 ~0.6에 수렴함을 예측하며, 표준 누출 상자 모델보다 데이터에 더 잘 맞고, PAMELA의 양성자 비율 데이터와 HESS/FERMI의 총 전자 스펙트럼을 조합함으로써 은하계 소스에서 직접적으로 주입된 1차 전자 스펙트럼을 추정할 수 있게 한다.

ABSTRACT

The recent observations of the positron fraction in cosmic rays by PAMELA indicate that the fraction of positrons to the total electronic component in cosmic rays initially decreases in the energy region 1-10 GeV and increases thereafter. In this paper, we show that it is natural to expect such an increase of the positron fraction within the context of cosmic ray propagation models. It is shown that this ratio should reach an asymptotic value of ~0.6 at very high energies. The specific measurements by PAMELA help us to distinguish amongst various models for cosmic ray propagation, and in particular, they support the nested leaky box model. They also provide, in conjunction with the observations of the total electronic component by HESS, FERMI, ATIC, and other experiments, a way of estimating the spectrum of electrons directly accelerated by discrete sources of cosmic rays in the Galaxy.

연구 동기 및 목표

• PAMELA가 관측한 고에너지에서의 비정상적인 양성자 비율 상승 현상을 설명하는 것. 이는 표준 우주선 전파 모델과 모순된다.
• 고정밀도의 양성자 비율 및 총 전자 스펙트럼 데이터를 사용하여 경쟁적인 우주선 전파 모델—특히 표준 누출 상자 모델과 중첩된 누출 상자 모델—을 구분하는 것.
• PAMELA의 양성자 비율 측정치와 HESS, FERMI, ATIC의 총 전자 스펙트럼을 조합하여 은하계 소스에 의해 직접적으로 가속된 전자 스펙트럼을 추출하는 것.
• 중첩된 누출 상자 모델이 양성자 비율과 1차 핵종 스펙트럼 양쪽 모두와 일관된지를 평가하여 이전 모델의 모호함을 해결하는 것.

제안 방법

• PAMELA의 양성자 비율 R(E) = f_{n+}(E) / f_t(E)를 사용하며, 여기서 f_t(E)는 HESS, FERMI, ATIC가 측정한 총 전자 스펙트럼이다.
• 역비율 P(E) = 1/R(E) = 1 + η + g_{e-}(E)/f_{n+}(E)를 적용하여 소스에 의해 주입된 전자 스펙트럼 g_{e-}(E)를 분리한다.
• 중첩된 누출 상자 모델을 적용하며, 이는 우주선이 소스 주변의 국소적 영역에 저장되며 고에너지에서 에너지에 독립적인 체류 시간 τ_G를 갖는다고 가정한다.
• 세 가지 모델(A, B, C)의 이론적 양성자 비율을 PAMELA 데이터와 비교하며, 관측된 스펙트럼에 맞추어 정규화를 조정한다.
• 고에너지에서의 에너지 손실 효과를 고려하고, 핵종 성분의 스펙트럼 기울기(β ≈ 2.65)를 사용하여 제2차 양성자 생성를 제약한다.
• 측정된 f_{n+}(E)와 R(E)를 사용하여 g_{e-}(E) = [P(E) - (1 + η)] f_{n+}(E) 식을 통해 1차 전자 스펙트럼을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 우주선의 양성자 비율은 약 ~10 GeV 이상에서 표준 전파 모델의 예측과는 달리 증가하는가?
• RQ2 표준 누출 상자 모델과 중첩된 누출 상자 모델 중에서 어느 것이 PAMELA의 양성자 비율 데이터를 더 잘 설명하는가?
• RQ3 PAMELA의 양성자 비율 측정치와 HESS/FERMI의 총 전자 스펙트럼 측정치를 조합하여 은하계 소스에 의해 직접적으로 가속된 전자의 스펙트럼을 재구성할 수 있는가?
• RQ4 리튬, 베릴륨, 붕소와 같은 제2차 핵종의 관측 스펙트럼과 μ+/μ− 비율은 다양한 전파 모델의 타당성을 어떻게 제약하는가?

주요 결과

• 중첩된 누출 상자 모델은 표준 누출 상자 모델보다 PAMELA의 양성자 비율 데이터에 더 우수한 맞춤을 보이며, 특히 고에너지에서의 상승을 설명하는 데 유리하다.
• 모델은 매우 고에너지에서(에너지 > 10^5 GeV) 양성자 비율이 점 渐진적으로 약 ~0.6에 수렴함을 예측하며, 관측된 추세와 일치한다.
• 총 전자 스펙트럼의 관측된 스펙트럼 기울기(Γ ≈ 3.05, 약 ~1 TeV 이하까지)와 양성자 비율을 조합하여 1차 전자 주입 스펙트럼 g_{e-}(E)를 재구성할 수 있다.
• 모델은 표준 누출 상자 모델이 ~10 GeV에서 스펙트럼 연화를 예측하는 것과는 달리, 1차 핵종의 스펙트럼 기울기(기울기 ~E^{-2.65})가 일관되며 스펙트럼 연화 없이도 일관된다.
• 이 분석은 제2차 생성 모델의 기울기 불확실성을 제거하며, 양성자가 부모 핵종의 에너지의 약 ~5%만을 지닌다는 것을 보여주어, 제2차 핵종보다 전파 효과에 더 민감하다는 것을 밝힌다.
• 모델과 데이터 간의 양호한 일치는 중첩된 누출 상자 모델이 은하계 내 우주선 전파에 있어 선호되는 프레임워크임을 지지한다.