[논문 리뷰] Diffuse Galactic gamma rays, cosmic-ray nucleons and antiprotons

I. V. Moskalenko, A. W. Strong외 1명|arXiv (Cornell University)|1998. 08. 10.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 1인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 은하간 우주선의 핵 및 반프로톤 확산 모델을 통해 1 GeV 이상의 초과된 산재한 은하계 감마선 방출의 기원을 조사한다. 확산 재가속, 에너지 손실, 그리고 현실적인 간성가스 및 복사장이 포함된 자기 일관된 확산 모델을 사용하여, 저자들은 고에너지 반프로톤 측정치가 간성핵 입자 스펙트럼을 진단할 수 있음을 보여주며, 현재 데이터는 하드 핵 입자 스펙트럼 가설을 몇 시그마 수준에서 배제하고 있다.

ABSTRACT

The excess of continuum gamma-ray emission from the Galaxy above 1 GeV is an unsolved puzzle. It may indicate that the interstellar nucleon or electron spectra are harder than local direct measurements, as could be the case if a local source of cosmic rays were to dominate the nearby flux. It is however difficult to distinguish between the two cases. Cosmic-ray secondary antiprotons provide a way to resolve this issue. We have made a calculation of the cosmic-ray secondary antiproton spectrum in our model, which computes self-consistently propagation of primary and secondary nucleons, and electrons. Fragmentation and energy losses are computed using realistic distributions for the interstellar gas and radiation fields, and diffusive reacceleration is also incorporated. Our study shows that accurate measurements of the antiproton flux, especially at high energies, could provide a diagnostic of the interstellar nucleon spectrum allowing us to test the hard nucleon spectrum hypothesis. Present antiproton data above 3 GeV indicate that it can already be excluded at the few sigma level.

연구 동기 및 목표

• 1 GeV 이상의 초과된 산재한 은하계 감마선 방출의 수수께끼를 해결하기 위해.
• 관측된 감마선 초과가 국소적으로 측정된 것보다 더 딱딱한 간성핵 입자 스펙트럼 때문일 수 있는지 테스트하기 위해.
• 이차 반프로톤 플럭스를 간성핵 입자 스펙트럼의 진단 도구로 사용하기 위해.
• 핵 입자, 전자, 반프로톤을 포함한 현실적인 간성 조건을 반영한 자기 일관된 우주선 확산 모델을 개발하기 위해.

제안 방법

• 주 및 이차 핵 입자와 전자를 포함한 자기 일관된 우주선 확산 모델을 개발하였다.
• 실제 간성가스 및 복사장 분포를 사용하여 분해 및 에너지 손실을 계산하였다.
• turbulent 은하 자기장 내 입자 상호작용을 모델링하기 위해 확산 재가속을 통합하였다.
• 주 핵 입자의 확산 및 상호작용에 기반하여 이차 반프로톤 스펙트럼을 계산하였다.
• 이론적 예측된 반프로톤 플럭스를 관측 데이터와 비교하여 하드 핵 입자 스펙트럼 가설을 시험하였다.
• 간성 매질 및 우주선 원천의 공간적으로 분리된 처리를 모델에 적용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 1 GeV 이상의 초과된 산재한 은하계 감마선 방출은 국소적으로 측정된 것보다 더 딱딱한 간성핵 입자 스펙트럼에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ2 고에너지 반프로톤 측정치는 간성핵 입자 스펙트럼의 형태를 어느 정도 제약할 수 있는가?
• RQ3 관측된 반프로톤 플럭스는 표준 우주선 확산 모델과 일치하는가, 아니면 주 핵 입자 스펙트럼의 딱딱함이 필요하는가?
• RQ4 반프로톤 플럭스는 하드 핵 입자 스펙트럼과 하드 전자 스펙트럼 중 어느 것이 감마선 초과의 기원인지 구별하는 데 진단 도구로 사용될 수 있는가?

주요 결과

• 현재의 반프로톤 데이터는 3 GeV 이상에서 하드 핵 입자 스펙트럼 가설을 몇 시그마 수준에서 이미 배제하고 있다.
• 이차 반프로톤 스펙트럼은 간성핵 입자 스펙트럼의 형태에 매우 민감하므로 강력한 진단 도구가 된다.
• 모델은 정확한 고에너지 반프로톤 측정치가 하드 핵 입자 스펙트럼과 하드 전자 스펙트럼 중 어느 것이 감마선 초과의 기원인지 모호함을 해결할 수 있음을 보여준다.
• 확산 재가속 및 현실적인 간성가스 분포의 포함은 이론적 반프로톤 플럭스가 관측과의 일관성을 높인다.
• 이 연구는 국소적 우주선 원천이 상당히 딱딱한 핵 입자 스펙트럼을 생성하는 시나리오와 관측된 반프로톤 플럭스가 일치하지 않음을 입증한다.
• 기존의 반프로톤 데이터를 바탕으로, 감마선 초과가 국소적 핵 입자 스펙트럼의 딱딱함 때문이 아니라는 아이디어를 지지한다.