[논문 리뷰] Testing diffusion of cosmic rays in the heliosphere with p/He data from AMS

Nicola Tomassetti, F. Barão외 5명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 21.

Solar and Space Plasma Dynamics인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 6년간의 AMS 양성자 및 헬륨 유속 데이터를 분석하여 태양활동 24기의 피크 이후 단계에서 낮은 라디우스( R ≲ 3 GV)에서의 양성자 대 헬륨 유속 비율이 감소함을 입증함으로써, 우주선 확산에서 β × λ(R) 의존성에 대한 강력한 증거를 제시한다. 여기서 β는 입자 속도이고, λ(R)는 라디우스에 따라 변하는 평균 자유경로이다. 이 행동은 태양계 내에서 전하/질량에 따라 달라지는 조절 효과를 드러낸다.

ABSTRACT

After six years of continuous observations in space, the Alpha Magnetic Spectrometer experiment has released new data on the temporal evolution of the proton and helium fluxes in cosmic rays. These data revealed that the ratio between proton and helium fluxes at the same value of rigidity $R=p/Z$ (momentum/charge ratio) is not constant at $R\lesssim$ 3 GV. In particular, the ratio is found to decrease steadily during the descending phase of Solar Cycle 24 toward the next minimum. We show that such a behavior is a remarkable signature of the $\beta imes\lambda(R)$ dependence in the diffusion of cosmic rays in heliosphere, where $\beta$ is their adimensional speed and $\lambda(R)$ is their mean free path, a universal function of rigidity for all nuclei. This dependence is responsible for distinctive charge/mass dependent effects in the time-dependent modulation of low-rigidity particles.

연구 동기 및 목표

• 장기적인 AMS 관측을 통해 태양계 내에서 낮은 라디우스의 우주선의 시간에 따라 변하는 조절 현상을 조사하기 위해.
• 전하 및 질량에 따라 달라지는 우주선 이동을 설명하는 데 있어 β × λ(R) 확산 모델의 타당성을 검증하기 위해.
• 고정된 라디우스에서의 양성자 대 헬륨 유속 비율이 태양활동 주기 동안 변화하는지 여부를 확인하여 비일관된 확산 행동의 징후를 파악하기 위해.
• 우주선 유속 변화에서 라디우스에 따라 달라지는 평균 자유경로 λ(R)의 특징을 식별하기 위해.

제안 방법

• 6년간의 연속적인 위성 운영 동안 알파 마그네틱 스펙트로미터(AMS)가 측정한 양성자 및 헬륨 유속의 분석.
• 전하/질량에 따른 영향을 분리하기 위해 동일한 라디우스 R = p/Z 에서의 양성자 및 헬륨 유속을 비교.
• β × λ(R) 확산 모델의 사용, 여기서 β는 입자의 속도를 빛의 속도 c 단위로, λ(R)는 라디우스에 따라 변하는 평균 자유경로이다.
• 태양활동 주기 24의 저하 단계 동안의 유속 비율의 시간적 분석을 통해 체계적인 변화를 탐지.
• 관측된 유속 비율 변화를 진단 도구로 사용하여 라디우스에 따라 달라지는 확산 특성을 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고정된 라디우스 R = p/Z 에서 태양계 내에서의 양성자 대 헬륨 유속 비율은 시간이 지남에 따라 변하는가?
• RQ2 관측된 p/He 유속 비율의 변화는 우주선 확산에서 β × λ(R) 의존성과 일치하는가?
• RQ3 전하 및 질량의 차이는 낮은 라디우스의 우주선에 대한 시간에 따라 변하는 조절에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ4 유속 비율의 시간적 변화는 평균 자유경로 λ(R) 의 라디우스 의존성 제약을 어떻게 제공하는가?

주요 결과

• R ≲ 3 GV 에서의 양성자 대 헬륨 유속 비율은 태양활동 주기 24의 저하 단계 동안 점차 감소한다.
• 이 감소 경향은 우주선 확산에서 β × λ(R) 의존성의 명확한 징후이며, 여기서 β는 입자 속도이고, λ(R)는 라디우스에 따라 변하는 평균 자유경로이다.
• 관측된 행동은 낮은 라디우스의 입자들이 태양계 자기장에 의해 전하 및 질량에 따라 달라지는 조절을 경험한다는 것을 시사한다.
• 데이터는 모든 원소에 대해 유일한 λ(R) 함수가 존재하며, 확산 효과가 입자 속도와 라디우스에 의해 조절된다는 것을 지지한다.