[論文レビュー] Galactic diffuse gamma rays meet the PeV frontier

Pedro De la Torre Luque, Daniele Gaggero+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、空間的に変化する拡散を伴う高解像度の宇宙線輸送モデルを用いて、銀河平面からの観測されたペブロン（PeV）の拡散γ線放射が、宇宙線と星間物質の相互作用に起因することを提案している。非一様な輸送シナリオが、チベットAS$γ$、LHAASO、ARGO-YBJ、Fermi-LATの複数のエネルギー領域におけるデータを一貫して再現できることを示しており、標準的な一様モデルよりも、半径方向およびエネルギー依存の拡散を含むモデルが好まれる。

ABSTRACT

The Tibet AS$γ$ and LHAASO collaborations recently reported the observation of a $γ$-ray diffuse emission with energy up to the PeV from the Galactic plane. We discuss the relevance of non-uniform cosmic-ray transport scenarios and the implications of these results for cosmic-ray physics. We use the { t DRAGON} and { t HERMES} codes to build high-resolution maps and spectral distributions of that emission for several representative models under the condition that they reproduce a wide set of local cosmic-ray data up to 100 PeV. We show that the energy spectra measured by Tibet AS$γ$, LHAASO, ARGO-YBJ and Fermi-LAT in several regions of interest in the sky can all be consistently described in terms of the emission arising by the Galactic cosmic-ray "sea". We also show that all our models are compatible with IceTop $γ$-ray upper limits. Our results favor transport models characterized by spatial-dependent diffusion although some degeneracy remains between the choice of the transport scenario and that of the cosmic-ray spectral shape above 10 TeV. We discuss the role of forthcoming measurements in resolving that ambiguity.

研究の動機と目的

• 最近観測された銀河平面からのペブロン（PeV）の拡散γ線放射が、星間物質内での宇宙線相互作用によって説明可能かどうかを調査すること。
• 特に空間的に依存する拡散を含む非一様な宇宙線輸送シナリオが、高エネルギーγ線データを再現する上で果たす役割を評価すること。
• これらのモデルが、IceTopおよび他の実験からの既存の制約と整合しているかどうかを検証すること。
• 将来的な天体物理学的解析におけるバックグラウンドモデルとして使用可能な、高解像度の全天γ線放射マップを提供すること。
• 宇宙線輸送に起因する拡散放射と解像度の低い源からの寄与との間のデゲネラシーを調査し、将来的なデータを用いてそれらを区別する方法を同定すること。

提案手法

• 高解像度の全天マップおよび銀河全体における拡散γ線放射のスペクトル分布をシミュレートするために、DRAGONおよびHERMESコードを用いた。
• 特に銀河中心部における宇宙線輸送の半径依存性を考慮し、空間的に変化する拡散係数を含むモデルを構築した。
• AMS、PAMELA、CREAM、DAMPEの測定値も含め、100 PeVまでの局所的宇宙線データにモデルをキャリブレーションした。
• HIおよびH2分布のための「リングモデル」を用いて星間ガスおよび放射場を組み込み、ハドロン的相互作用を一貫して扱った。
• Fermi-LAT、チベットAS$γ$、LHAASO、ARGO-YBJ、IceTopからの観測結果とモデル予測を比較し、上限値と整合していることを確認した。
• 将来的な源のカタログ作成およびダークマター探索に使用可能な、高解像度の全天マップ（https://github.com/tospines/Gamma-variable_High-resolution）を公開した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非一様な宇宙線輸送モデルは、チベットAS$γ$およびLHAASOが観測したペブロン（PeV）の拡散γ線放射を説明できるか？
• RQ2 観測されたペブロン（PeV）γ線放射のうち、真に拡散的放射と解像度の低い源からの寄与の相対的寄与率はどの程度か？
• RQ3 空間的に変化する拡散パラメータは、異なる銀河領域における複数の機器からのγ線データとのモデル整合性にどのように影響するか？
• RQ4 10 TeV以上の高エネルギー領域において、輸送モデルの選択と高エネルギー宇宙線スペクトル形状の間には、どの程度のデゲネラシーが存在するか？
• RQ5 特にニュートリノ観測所からの将来的な測定は、拡散放射と解像度の低い源のシナリオを区別するのにどのように寄与できるか？

主な発見

• チベットAS$γ$、LHAASO、ARGO-YBJ、Fermi-LATが観測した、複数の注目領域におけるすべてのγ線スペクトルが、同じ背後にある宇宙線相互作用に起因する拡散放射によって一貫して記述できる。
• 特に低銀河経度領域において、空間的に依存する拡散を含むモデルが、標準的な一様輸送モデルよりも強く支持される。
• モデルはIceTopの高エネルギーγ線に対する上限値と整合しており、大気的バックグラウンド制約と顕著な矛盾を示さない。
• 10 TeV以上の高エネルギー領域において、輸送シナリオと高エネルギー宇宙線スペクトル形状の間には、依然としてデゲネラシーが残っており、この曖昧性を解消するための追加データの必要性が浮き彫りになった。
• 本研究では、GeVからPeVエネルギー領域にわたる高解像度の全天γ線放射マップを公開しており、将来的な解析における貴重なバックグラウンドモデルとして利用可能である。
• 将来的に、銀河平面と相関する明確な拡散ニュートリノフラックスが検出されれば、支配的な解像度の低い源寄与よりも、提示されたハドロン的拡散放射シナリオを強く支持するだろう。