[论文解读] Cosmic-ray propagation and production of secondary particles in the Galaxy

Pedro De la Torre Luque|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 6

一句话总结

该论文利用DRAGON2代码和基于FLUKA的核截面数据，开发了先进的宇宙射线传播模型，以改进对次级粒子（B、Be、Li、反质子、伽马射线）产生的约束。该研究提出了一种创新的马尔可夫链蒙特卡洛分析方法，同时考虑了截面不确定性和实验数据，从而对扩散参数得出了更紧致的约束，并揭示了在10 GeV能量下反质子预测存在30%的不确定性——这对探测暗物质信号至关重要。

ABSTRACT

Cosmic rays are nowadays a crucial tool to study the astrophysics of extreme objects in the Universe, the cosmic environmental plasma (both Galactic and extra-galactic), the physics of nuclear interactions or the properties of elementary particles at very high energies and even cosmological problems such as the dark matter puzzle. In this thesis, the phenomenology on the transport of Galactic cosmic rays is studied in light of the most recent experimental data in the field and new analyses are presented in order to obtain better constraints. Throughout the thesis, secondary particles produced from collisions of cosmic rays with the interstellar gas, such as secondary cosmic ray nuclei (B, Be and Li), antiprotons and gamma rays, are treated in order to adjust and test our models and probe different scenarios, such as possible signatures of dark matter decay or annihilation. A preliminary version of the upcoming DRAGON2 code has been used to perform the propagation computations. With the increasing accuracy of CR data a number of anomalies have appear with respect to the standard paradigm of propagation of charged particles in the Galaxy. In this thesis, we demonstrate that some of these anomalies disappear by taking into account the systematic uncertainties involving these kind of analyses, specially cross sections uncertainties.

研究动机与目标

• 通过整合最新的实验数据，特别是AMS-02对Ne、Mg和Si的测量结果，改进银河系宇宙射线传播的约束。
• 解决由于核截面数据不完整且不一致而引起的次级宇宙射线通量预测中的主要不确定性。
• 开发并应用一组基于FLUKA蒙特卡洛代码的全新、与实验数据无关的核截面，以实现更广泛的应用范围和更高的精度。
• 实施一种首创的马尔可夫链蒙特卡洛分析，同时包含截面不确定性与通量比（Li/Be/B与C/O），以实现稳健的参数推断。
• 检验传播模型对反质子能谱和伽马射线发射的影响，特别是在数据中观测到10 GeV过量的背景下，评估其与暗物质的潜在关联。

提出的方法

• 使用即将发布的DRAGON2代码进行宇宙射线传播模拟，整合了新的和现有的核截面参数化方法。
• 利用FLUKA蒙特卡洛代码开发了一套全新的核散裂截面，与实验数据无关，从而可外推至新同位素和能量范围。
• 应用马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）框架分析次级核素（Li、Be、B）与初级C和O的通量比，同时纳入截面和实验数据的不确定性。
• 利用推导出的扩散模型计算反质子能谱，并与AMS-02数据进行比较，量化来自截面和传播参数的不确定性。
• 使用GammaSky代码结合FLUKA基截面模拟伽马射线发射，生成天图和本地发射率谱，与Fermi-LAT数据进行对比。
• 执行包含真实HI和H2气体分布的三维传播模拟，对比二维与三维气体模型，评估其对Be/B比值和晕尺寸退化的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 核截面的不确定性在多大程度上影响7Li、9Be和10Be等次级宇宙射线通量的预测？
• RQ2 对B/O、Be/B和Li/B通量比进行联合MCMC分析，能在多大程度上同时约束扩散系数和截面不确定性？
• RQ3 使用基于FLUKA的截面与现有参数化方法（GALPROP、DRAGON2）相比，对反质子和伽马射线预测有何影响？
• RQ4 不同的扩散模型参数化方式在多大程度上影响反质子能谱的预测，特别是在报告存在数据过量的10 GeV能量附近？
• RQ5 强子相互作用对低能伽马射线线（MeV能量范围）的贡献如何？使用FLUKA截面能多好地模拟这些过程？

主要发现

• MCMC分析首次成功地同时约束了扩散系数和截面不确定性，揭示了截面不确定性在次级通量预测总不确定性中占据显著贡献。
• 即使在包含截面不确定性后，AMS-02数据中10 GeV处的反质子过量仍无法解释，该能量点的总不确定性估计约为30%。
• 基于FLUKA的截面在多个同位素和入射核素（12C、16O）中表现出与实验数据更好的一致性，尤其在实验覆盖有限的反应道中。
• 二维与三维气体模型的对比揭示了在30 GeV以下10Be/B比值存在显著差异，表明必须包含三维结构效应，以避免与晕尺寸在传播模型中的退化。
• 使用FLUKA截面计算的伽马射线天图和本地发射率谱与Fermi-LAT数据更加吻合，特别是在0.1–1 GeV能量范围，且揭示了低能伽马射线线的显著光谱特征。
• 本研究证明，基于FLUKA的截面能够精确模拟低能伽马射线线（MeV能量范围），这对探测银河系介质中强子相互作用至关重要。