[논문 리뷰] Secondary Antiprotons in Cosmic Rays

I. V. Moskalenko, A. W. Strong외 3명|arXiv (Cornell University)|2001. 06. 27.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 은하간 우주선의 전파를 계산하기 위해 3차원 은하수 우주선 전파 모델(GALPROP)을 제시한다. 이 모델은 간섭성 우주선 전파와 태양계 내 조절 효과를 고려하여 제2의 반프로톤 플럭스를 계산한다. 4 GV 이하에서 확산 계수의 변화를 포함한 확산-대류 모델을 사용함으로써 반프로톤, 프로톤, B/C 데이터와 가장 잘 일치하며, 암흑물질 탐색을 위한 견고한 배경을 제공하고 태양주기 동안 태양계 내 조절 효과를 정밀하게 보완한다.

ABSTRACT

High energy collisions of cosmic ray (CR) nuclei with interstellar gas are believed to be the mechanism producing the majority of CR antiprotons. The distinguishing spectral shape with a maximum at 2 GeV and a sharp decrease towards lower energies makes antiprotons a unique probe of the models of particle propagation in the Galaxy and modulation in the heliosphere. Besides, accurate calculation of the secondary antiproton flux provides a ``background'' for searches for exotic signals from the annihilation of supersymmetric particles and primordial black hole evaporation. Recently new data with large statistics on the antiproton flux have become available which allow for such tests to be performed. We use our 3D Galactic cosmic ray propagation code GALPROP to calculate interstellar propagation in several models. For our best model we make predictions of proton and antiproton fluxes near the Earth for different modulation levels and polarity using a steady-state drift model for heliospheric modulation.

연구 동기 및 목표

• 3차원 우주선 전파 코드를 사용하여 제2의 반프로톤의 간섭성 우주선 스펙트럼과 지구 근처 스펙트럼을 정확히 모델링하기.
• 전파 및 조절 모델을 정밀화하여 관측된 반프로톤 스펙트럼과 이론적 예측 간의 괴리를 해결하기.
• 암흑물질이나 초기 블랙홀과 같은 이국적 원천 탐지의 신뢰할 수 있는 배경 플럭스를 제공하기.
• 태양 자기극성 및 기울기 각도 조건에 따라 태양계 내 조절이 지구 근처 반프로톤 플럭스에 미치는 영향을 조사하기.

제안 방법

• GALPROP 코드를 사용하여 원통대칭을 가진 3차원 은하수 우주선 전파를 시뮬레이션하며, 확산, 대류, 재가속을 포함한다.
• 반프로톤 생성은 pp 반응 단면적과 DTUNUC 핵반응 인자로 계산되며, 비탄성 산란에 의한 제3의 반프로톤도 포함된다.
• 다양한 전파 모델(확산-대류, 최소 재가속 및 대류, 순수 확산, 확산-대류)을 고려하여 국소 간섭성 우주선 스펙트럼(LIS)을 계산한다.
• 정적인 상태의 이동 모델을 사용하여 태양계 내 조절을 적용하며, 조절 잠재력은 태양 극성(A>0 및 A<0)과 기울기 각도에 따라 변한다.
• 전파 매개변수를 제약하기 위해 B/C 비율을 사용하며, 허브 높이를 4 kpc로 고정한다.
• 모델 캘리브레이션은 관측된 프로톤, He 및 반프로톤 스펙트럼과 일치시키기 위해 4 GV 이하에서의 주입 스펙트럼과 확산 계수를 조정함으로써 수행된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 물리적으로 타당한 전파 모델이 ~2 GeV에서의 피크와 낮은 에너지에서 급격한 감소를 보이는 관측된 반프로톤 스펙트럼을 재현할 수 있는가?
• RQ2 기본적인 재가속/대류 모델이 관측된 반프로톤 및 주요 스펙트럼을 동시에 재현하지 못하는 이유는 무엇인가?
• RQ3 특히 서로 다른 자기극성과 기울기 각도 조건에서 태양계 내 조절은 지구 근처에서 관측된 반프로톤 플럭스에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 4 GV 이하에서 확산 계수의 변화가 모델 예측과 관측 데이터 간의 일치를 이루는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 이 모델이 초위상 입자 탐색(예: 초대칭 암흑물질의 붕괴)을 위한 배경으로 얼마나 유용한가?

주요 결과

• 4 GV 이하에서 확산 계수의 변화가 있는 확산-대류(DC) 모델이 반프로톤, 프로톤, 헬륨 및 B/C 데이터와 가장 잘 일치한다.
• 이 모델은 반프로톤 스펙트럼의 ~2 GeV에서의 급격한 피크와 낮은 에너지에서의 급격한 감소를 성공적으로 재현한다.
• 20 GV 이하에서 주입 스펙트럼을 평탄하게 조정하면 주요 스펙트럼에 대한 맞춤형 조정이 향상되지만, 제2의 플럭스에는 큰 영향을 주지 않는다.
• 태양계 내 조절 모델은 태양 극성과 기울기 각도에 따라 반프로톤 플럭스에 상당한 변화를 보이며, 특히 저에너지 영역에서 가장 민감하다.
• 모델은 태양주기 동안 조절 조건에 따라 반프로톤 대 프로톤 비율이 최대 약 20%까지 변동함을 예측한다.
• 본 연구는 제2의 입자(예: 반프로톤)의 주입 스펙트럼에 저에너지에서의 변화가 없을 경우, 다른 모델에서 관찰되는 비합리적인 스펙트럼 볼록부를 제거할 수 있음을 규명한다.