[논문 리뷰] Origin of leptons in near earth orbit

L. Derome, M. Buénerd외 1명|arXiv (Cornell University)|2001. 03. 28.

Astro and Planetary Science참고 문헌 1인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 AMS 실험에서 지구의 지자기 차단수준 이하에서 관측된 레프톤—특히 양전자와 전자의 기원을 설명하며, 그들의 통량이 지자기 동서 효과에 기인한다고 주장한다. 이는 이전의 양성자 상호작용 모델을 레프톤으로 확장한 것으로, 관측된 지자기 차단수준 이하의 레프톤 통량이 대기 중의 宇宙선 상호작용에 기인함을 보여주며, 지구 근처 공간에서 예상치 못한 양전자 대 전자 비율 문제를 해결한다.

ABSTRACT

Abstract: It is shown that the ratio of the e + over e − flux below the geomagnetic cutoff reported recently by the AMS experiment is due to the geomagnetic East-West effect. New measurements of particle fluxes close to earth have been performed recently by the AMS experiment, providing a body of highly accurate new data on particle populations in the close terrestrial environment, which open new prospects for high precision studies of the cosmic ray (CR)-atmosphere interactions and of the dynamics of particles in the magnetosphere. This is of particular importance in the current context for the atmospheric neutrino issue [1]. The proton distributions measured below the earth geomagnetic cutoff (GC) in the experiment [2] have been shown recently to originate mainly from the interaction of the (proton) cosmic ray (CR) flux with the atmosphere [3]. This work is referred to as I in the following. The present paper extends to leptons the work reported in I on protons, and addresses the interpretation of the unexpected flux of positrons and electrons measured by AMS below the cutoff (subGC), and of their ratio [4], in this framework. The observed lepton distributions showed a few remarkable features, the main two of which being: First, the kinetic energy spectra have a strong subGC component (figure 1), thus of

연구 동기 및 목표

• 지구의 지자기 차단수준 이하에서 AMS가 관측한 예상치 못한 높은 통량의 양전자와 전자의 기원을 설명하는 것.
• 이전에 양성자에 적용된 대기 상호작용 모델을 우주선-대기 상호작용의 맥락에서 레프톤으로 확장하는 것.
• 지자기 동서 효과의 결과로 나타나는 지구 근처 궤도에서의 레프톤 분포를 설명하는 것.
• 지자기 차단수준 이하에서 관측된 레프톤의 운동 에너지 스펙트럼이 강한 지자기 차단수준 이하 성분을 보이는 물리적 설명을 제공하는 것.

제안 방법

• 지구 근처 환경에서의 입자 통량에 대한 AMS 실험 데이터 분석을 통해 지자기 차단수준 이하의 레프톤에 중점을 두는 것.
• 지자기 동서 효과 모델을 적용하여 자기권 내에서의 이방성 입자 통량을 설명하는 것.
• 대기 상호작용 모델을 사용하여 레프톤의 기원을 대기 중의 우주선 상호작용으로 추적하는 것.
• 관측된 레프톤 스펙트럼을 우주선 전파 및 자기장 영향에 기반한 이론적 예측과 비교하는 것.
• 지자기 차단수준 조건을 통합하여 지자기 차단수준 이하 입자 집단을 분리하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 AMS가 관측한 지구의 지자기 차단수준 이하에서의 증가된 양전자 및 전자 통량은 무엇에 기인하는가?
• RQ2 지자기 동서 효과는 지구 근처 궤도에서의 레프톤 분포에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 우주선-대기 상호작용은 관측된 지자기 차단수준 이하 레프톤 스펙트럼의 어느 정도를 설명하는가?
• RQ4 왜 지자기 차단수준 영역에서의 양전자 대 전자 통량 비율은 예상보다 높은가?

주요 결과

• 관측된 지자기 차단수준 이하 레프톤 통량은 낯선 천체물리학적 원천이 아니라 지자기 동서 효과에 기인한다.
• 레프톤의 운동 에너지 스펙트럼은 지자기 차단수준 이하의 강한 성분을 보이며, 국소적 생성 메커니즘을 시사한다.
• 지자기 차단수준 영역에서의 양전자 대 전자 통량 비율은 대기 중의 우주선 상호작용에 의해 설명되며, 지자기장의 영향과 일치한다.
• 이 모델은 AMS가 관측한 레프톤의 스펙트럼 특징을 성공적으로 설명하며, 지구 자기권 내 입자 전파에 대한 이론적 기대와 일치한다.