[논문 리뷰] The discovery of geomagnetically trapped cosmic ray antiprotons

O. Adriani, G. C. Barbarino외 62명|arXiv (Cornell University)|2011. 07. 25.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 33인용 수 41

한 줄 요약

이 논문은 2006년 7월부터 2008년 12월까지 PAMELA 위성 실험을 통해 남대서양 비정상 영역(SAA)에서 지구 자기권에 갇힌 宇宙선 반양성자들을 처음으로 직접 검출한 결과를 보고한다. 60–750 MeV 에너지 스펙트럼 측정과 입자 궤적 시뮬레이션을 통해, 이들은 주로 반알로이드 반중성자 붕괴에서 비롯하는 CRANbarD 과정에 의해 유도되는, 은하계 우주선 반양성자보다 세 배수 만 배 높은 갇힌 반양성자 플럭스를 확인한다.

ABSTRACT

The existence of a significant flux of antiprotons confined to Earth's magnetosphere has been considered in several theoretical works. These antiparticles are produced in nuclear interactions of energetic cosmic rays with the terrestrial atmosphere and accumulate in the geomagnetic field at altitudes of several hundred kilometers. A contribution from the decay of albedo antineutrons has been hypothesized in analogy to proton production by neutron decay, which constitutes the main source of trapped protons at energies above some tens of MeV. This Letter reports the discovery of an antiproton radiation belt around the Earth. The trapped antiproton energy spectrum in the South Atlantic Anomaly (SAA) region has been measured by the PAMELA experiment for the kinetic energy range 60--750 MeV. A measurement of the atmospheric sub-cutoff antiproton spectrum outside the radiation belts is also reported. PAMELA data show that the magnetospheric antiproton flux in the SAA exceeds the cosmic-ray antiproton flux by three orders of magnitude at the present solar minimum, and exceeds the sub-cutoff antiproton flux outside radiation belts by four orders of magnitude, constituting the most abundant source of antiprotons near the Earth.

연구 동기 및 목표

• 우주선 입자 탐지기로 지구의 내부 방사선 벨트에서 갇힌 반양성자를 검출하고 측정하는 것.
• 특히 반양성자 기원 중에서 CRANbarD 메커니즘(반알로이드 반중성자 붕괴에서 유래)과 직접 쌍생성 간의 차이를 구분하는 것.
• 지구 자기권 내 반양성자 생성 및 이동에 대한 이론 모델을 제약하는 것.
• 태양활동 최소기 조건에서 SAA 지역의 반양성자 에너지 스펙트럼과 반양성자 대 양성자 비율을 측정하는 것.
• 간접적으로 갇힌 반양성자 플럭스가 은하계 우주선 반양성자와 하부절단 대기 반양성자와 비교하여 상대 기여도를 평가하는 것.

제안 방법

• PAMELA 위성 실험은 2006년 7월부터 2008년 12월까지 남대서양 비정상(SAA) 영역에서 데이터를 수집하였으며, McIlwain L-껍데기 값은 1.1에서 1.3 사이였다.
• 반양성자 후보는 운동 에너지(60–750 MeV), 90° 근접한 피치 각도, 0.216 G 이하의 자기장 강도를 기준으로 선별되었으며, 이는 갇힌 입자 운동을 나타낸다.
• 입자 궤적은 TrajMap 시뮬레이션 도구를 사용하여 재구성하였으며, 자기장선 주위의 나선운동, 반사점 간의 반사, 종방향 이동을 추적하였다.
• 하부절단 한계는 Störmer 형식( R_VC = 14.9 / L² )을 사용하여 추정하였으며, 방사선 벨트 외부의 하부절단 반양성자를 식별하는 데 사용되었다.
• 간직된 반양성자 스펙트럼은 Selesnick 등(2007)과 Gusev 등(2008)의 이론 예측과 PAMELA의 은하계 우주선 반양성자 데이터와 비교되었다.
• 통계 분석을 통해 28개의 갇힌 반양성자가 확인되었으며, SAA 영역에서의 유의적 생존 시간 비율은 약 1.7% (약 4.6 × 10⁹ s)로 추정되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지구 자기권, 특히 내부 방사선 벨트에 갇힌 반양성자 플럭스가 검출 가능할 수 있는가?
• RQ2 반알로이드 반중성자 붕괴에서 기인하는 CRANbarD 과정이 직접 쌍생성과 비교하여 갇힌 반양성자 집단에 얼마나 기여하는가?
• RQ3 간직된 반양성자 플럭스가 은하계 우주선 반양성자와 하부절단 대기 반양성자와 비교하여 어떻게 다른가?
• RQ4 SAA 지역의 갇힌 반양성자 에너지 스펙트럼은 무엇이며, 이는 이론 모델과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 SAA 지역에서 측정된 반양성자 대 양성자 비율이 CRANbarD 모델 예측과 어느 정도 일치하는가?

주요 결과

• PAMELA 실험은 SAA 영역 내 60–750 MeV 운동 에너지 범위에서 28개의 갇힌 반양성자를 검출하여, 지구 자기권에 갇힌 반양성자 집단 존재를 확인하였다.
• 태양활동 최소기 동안 SAA 지역에서 갇힌 반양성자 플럭스는 은하계 우주선 반양성자 플럭스를 세 배수 만 배 높게 기록하였으며, 1 GeV 이하의 근지구 반양성자 주요 기원이 되었다.
• 방사선 벨트 외부의 하부절단 대기 반양성자 플럭스보다 갇힌 반양성자 플럭스는 네 배수 만 배 높았다.
• SAA 지역에서 측정된 반양성자 대 양성자 비율은 이론적 CRANbarD 모델과 일치하는 경향을 보였으며, 반알로이드 반중성자 대 중성자 비율과 유사한 수준이었다.
• PAMELA가 측정한 갇힌 반양성자 에너지 스펙트럼은 Selesnick 등(2007)의 CRANbarD 예측과 PAMELA 궤도 조건에서 양호한 일치를 보였다.
• 이 결과는 지구 자기권 내 반양성자 생성 모델을 상당히 제약하며, 예측된 반양성자 스펙트럼의 불확실성을 감소시켰다.