[논문 리뷰] Ultrahigh energy cosmic rays and high energy astrophysical neutrinos

Marco Stein Muzio, Glennys R. Farrar외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 13.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 초고에너지 우주선(UHECR)과 고에너지 천체물리성 뉴트리노 간의 동시 제약를 조사하여, 가스 기반 소스 환경보다 광자 기반 소스 환경이 UHECR 데이터를 더 잘 설명함을 보여주며, 가스 기반 소스는 현재의 뉴트리노 제약과 충돌함을 시사함. 페브 범위 뉴트리노 측정이 정확히 이루어지면 확산 충격 가속 메커니즘을 검증하고 소스 환경을 구분할 수 있음.

ABSTRACT

We explore the joint implications of ultrahigh energy cosmic ray (UHECR) source environments -- constrained by the spectrum and composition of UHECRs -- and the observed high energy astrophysical neutrino spectrum. Acceleration mechanisms producing power-law CR spectra $\propto E^{-2}$ are compatible with UHECR data, if CRs at high rigidities are in the quasi-ballistic diffusion regime as they escape their source environment. Both gas- and photon-dominated source environments are able to account for UHECR observations, however photon-dominated sources do so with a higher degree of accuracy. However, gas-dominated sources are in tension with current neutrino constraints. Accurate measurement of the neutrino flux at $\sim 10$ PeV will provide crucial information on the viability of gas-dominated sources, as well as whether diffusive shock acceleration is consistent with UHECR observations. We also show that UHECR sources are able to give a good fit to the high energy portion of the astrophysical neutrino spectrum, above $\sim$ PeV. This common origin of UHECRs and high energy astrophysical neutrinos is natural if air shower data is interpreted with the extsc{Sibyll2.3c} hadronic interaction model, which gives the best-fit to UHECRs and astrophysical neutrinos in the same part of parameter space, but not for EPOS-LHC.

연구 동기 및 목표

• 초고에너지 우주선(UHECR) 관측을 설명하는 데 있어 가스 및 광자 기반 소스 환경의 타당성을 평가하기 위해.
• 관측된 고에너지 천체물리성 뉴트리노 스펙트럼과 UHECR 가속 메커니즘의 일관성을 평가하기 위해.
• 확산 충격 가속이 UHECR 스펙트럼과 뉴트리노 유량을 동시에 설명할 수 있는지 평가하기 위해.
• Sibyll2.3c 또는 EPOS-LHC와 같은 허드론 상호작용 모델 중에서 동일한 매개변수 공간 내에서 UHECR과 뉴트리노 데이터를 가장 잘 조율하는 모델을 평가하기 위해.
• 미래의 페브 범위 뉴트리노 측정이 UHECR 소스 물리학을 제약하는 데 어떤 역할을 하는지 규명하기 위해.

제안 방법

• 고강성에서의 준구속성 확산을 가정하여, 파워 라이드 스펙트럼 ∝ E⁻²를 갖는 소스 환경에서 UHECR 가속을 모델링함.
• 공기 샤워의 발달을 시뮬레이션하고 UHECR 데이터와 예측을 비교하기 위해 Sibyll2.3c와 EPOS-LHC 허드론 상호작용 모델을 사용함.
• 관측된 UHECR 스펙트럼과 조성을 바탕으로 소스 환경의 호환성을 평가하기 위해 제약 조건을 적용함.
• UHECR 소스에서 예측된 뉴트리노 유량을 ~1 PeV 이상의 관측된 고에너지 천체물리성 뉴트리노 스펙트럼과 비교함.
• IceCube 및 기타 실험에서의 현재 뉴트리노 유량 제약과 가스 기반 소스 모델 간의 갈등을 평가함.
• 다양한 소스 환경에서 확산 충격 가속이 UHECR 및 뉴트리노 데이터 양쪽과 일관된지 평가함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 가스 기반 소스 환경은 UHECR 데이터와 현재의 고에너지 뉴트리노 제약을 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ2 광자 기반 소스 환경은 가스 기반 소스 환경보다 UHECR 관측에 더 나은 적합도를 보이는가?
• RQ3 확산 충격 가속은 UHECR 스펙트럼과 1 PeV 이상의 관측된 천체물리성 뉴트리노 유량과 일관되는가?
• RQ4 Sibyll2.3c 또는 EPOS-LHC 중 어떤 허드론 상호작용 모델이 동일한 매개변수 공간 내에서 UHECR과 고에너지 뉴트리노 데이터를 가장 잘 조율하는가?
• RQ5 미래의 페브 범위 뉴트리노 측정은 가스 기반과 광자 기반 UHECR 소스 환경을 어떻게 구분하는 데 기여하는가?

주요 결과

• 고강성에서 준구속성 확산를 겪는 우주선이 있을 경우, 파워 라이드 스펙트럼 ∝ E⁻²는 UHECR 데이터와 호환됨.
• 광자 기반 소스 환경은 가스 기반 소스 환경보다 UHECR 관측에 더 나은 적합도를 보임.
• 가스 기반 소스는 현재의 고에너지 뉴트리노 제약과 갈등을 보이며, 이는 그들이 불리한 것으로 간주될 수 있음을 시사함.
• 약 10 PeV에서의 뉴트리노 유량 정확한 측정은 가스 기반 소스의 타당성을 해결하고 확산 충격 가속의 일관성을 검증하는 데 핵심이 됨.
• UHECR 소스는 약 1 PeV 이상의 천체물리성 뉴트리노 스펙트럼의 고에너지 부분을 동시에 설명할 수 있음.
• Sibyll2.3c 허드론 상호작용 모델은 동일한 매개변수 공간 내에서 UHECR과 고에너지 뉴트리노 데이터 양쪽에 대해 가장 좋은 적합도를 보이며, EPOS-LHC와는 달리 그렇지 않음.