[논문 리뷰] Constraints on the proton fraction of cosmic rays at the highest energies and the consequences for cosmogenic neutrinos and photons

Domenik Ehlert, A. van Vliet외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 10^18 eV 이상의 에너지에서 우주선 내 초고에너지(UHE) 양성자에서 발생할 수 있는 최대 플럭스를 분석하며, 산란 감마선과 중성자에 기반한 다메시저 제약 조건을 사용한다. 20 EeV에서 UHECR의 약 ~10%까지가 양성자일 수 있으며, 특히 양성자 최대 에너지가 GZK 한계를 초과할 경우, 우주에서 생성된 중성자와 감마선 플럭스는 혼합 조성의 소스보다 크게 초과한다. 이는 1 EeV 이상의 감지 가능한 UHE 중성자 플럭스를 예측한다.

ABSTRACT

Over the last decade, observations have shown that the mean mass of ultra-high-energy cosmic rays (UHECRs) increases progressively toward the highest energies. However, the precise composition is still unknown, and several theoretical studies hint at the existence of a subdominant proton component up to the highest energies. Motivated by the exciting prospect of performing charged-particle astronomy with ultra-high-energy (UHE) protons we quantify the level of UHE-proton flux that is compatible with present multimessenger observations and the associated fluxes of neutral messengers produced in the interactions of the protons. We study this scenario with numerical simulations of two independent populations of extragalactic sources and perform a fit to the combined UHECR energy spectrum and composition observables, constrained by diffuse gamma-ray and neutrino observations. We find that up to of order $10\%$ of the cosmic rays at the highest energies can be UHE protons, although the result depends critically on the selected hadronic interaction model for the air showers. Depending on the maximum proton energy ($E_ ext{max}^ ext{p}$) and the redshift evolution of sources, the associated flux of cosmogenic neutrinos and UHE gamma rays can significantly exceed the multimessenger signal of the mixed-mass cosmic rays. Moreover, if $E_ ext{max}^ ext{p}$ is above the GZK limit, we predict a large flux of UHE neutrinos above EeV energies that is absent in alternate scenarios for the origin of UHECRs. We present the implications and opportunities afforded by these UHE proton, neutrino and photon fluxes for future multimessenger observations.

연구 동기 및 목표

• 현재의 다메시저 관측 결과와 일치하는 최대 允許된 UHE 양성자 플럭스를 결정하는 것.
• 특히 높은 최대 양성자 에너지가 존재하는 경우, 이러한 양성자 성분에 의해 생성된 우주에서 생성된 중성자 및 감마선 플럭스를 평가하는 것.
• 강입성 상호작용 모델의 선택이 允許된 양성자 비율과 관련된 다메시저 신호에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 미래의 UHECR, 중성자 및 감마선 천문학에 대해 잠재적인 양성자 성분의 영향을 탐색하는 것.
• 혼합 조성 + 양성자 주도의 이중 소스 모델이 UHECR 스펙트럼 및 조성 데이터, 산란 감마선 및 중성자 제약 조건과 일치하는지 테스트하는 것.

제안 방법

• CMB 및 간성 배경 빛과의 상호작용을 포함하여 CRPropa 3를 사용해 UHECR 전파를 시뮬레이션한다.
• 한 개의 혼합 조성 소스 집단과 한 개의 양성자 주도 소스 집단을 가정하여, UHECR 스펙트럼 및 조성 데이터(Auger 및 Telescope Array)에 대한 이중 소스 피팅을 수행한다.
• 결과의 모델 의존성을 평가하기 위해 독립적인 강입성 상호작용 모델(EPOS-LHC 및 Sibyll2.3c)을 사용한다.
• IceCube의 산란 중성자 한계와 Fermi-LAT의 산란 감마선 데이터를 활용해 允許된 양성자 소스 파rameter를 제약한다.
• 양성자 소스 스펙트럼 지수(γPP)와 적색편이 진화(mPP) 및 최대 양성자 에너지(EPP_max)에 대한 매개변수 스캔을 수행한다.
• Δχ² 평가를 통해 피팅의 질을 평가하고, 단일 소스 모델과 비교하여 양성자 성분의 유의미성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재의 UHECR, 감마선 및 중성자 관측 결과와 일치하는 최대 UHE 양성자 비율은 얼마인가?
• RQ2 양성자 성분에서 발생하는 우주에서 생성된 중성자 및 UHE 감마선 플럭스는 혼합 조성 소스와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 다메시저 데이터는 양성자 소스 성분의 최대 양성자 에너지 및 스펙트럼 지수에 대해 어떤 제약을 가하는가?
• RQ4 EPP_max > 10^20 eV 이며 경직된 스펙트럼을 가진 양성자 성분이 현재의 관측 제약 조건을 충족할 수 있는가?
• RQ5 강입성 상호작용 모델의 선택(EPOS-LHC 대비 Sibyll2.3c)이 允許된 양성자 비율과 유도된 신호에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 20 EeV에서 우주선의 약 10%까지가 양성자일 수 있으며, 정확한 값은 강입성 상호작용 모델과 최대 양성자 에너지에 따라 달라진다.
• 2SC-uhecr 모델에서 최적 피팅 결과로 20 EeV에서의 양성자 기여는 2.4+3.1−0.2%이며, 단일 소스 모델 대비 3.7σ의 유의미한 향상이 있다.
• 양성자 성분에서 발생하는 우주에서 생성된 중성자 및 UHE 감마선 플럭스는 특히 EPP_max가 높은 경우, 혼합 조성 소스보다 지배적인 것으로 나타난다.
• 최대 양성자 에너지가 GZK 한계(약 50 EeV)를 초과할 경우, 1 EeV 이상의 UHE 중성자 플럭스가 크게 예측되며, 이는 표준 혼합 조성 모델에서는 관측되지 않는다.
• Sibyll2.3c를 사용한 2SC-dip 모델은 20 EeV에서 1.1+0.1−1.0%의 양성자 기여를 허용하지만, 이는 중성자 한계에 의해 Δχ² ≈ 4에서 배제된다.
• EPP_max ≳10^20 eV인 고에너지 시나리오는 배제되지 않으며, 그러나 중성자 및 UHE 감마선 제약 조건을 충족하기 위해 양성자 스펙트럼 지수 γPP ≳1이 필요하다.