[論文レビュー] On the Positron Fraction and the Spectrum of the Electronic Component in Cosmic Rays

R. Cowsik, B. Burch|ArXiv.org|May 13, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、PAMELAが測定した高エネルギー領域における陽電子割合の観測上昇が、特にネストド・リークィー・ボックスモデルによって自然に説明され、超高エネルギー領域で陽電子割合が約~0.6に漸近することを予測する。このモデルは標準的リークィー・ボックスモデルよりもデータに適合し、PAMELAの陽電子割合データとHESS/FERMIの全電子スペクトルを組み合わせることで、銀河系起源の一次電子注入スペクトルを直接推定可能である。

ABSTRACT

The recent observations of the positron fraction in cosmic rays by PAMELA indicate that the fraction of positrons to the total electronic component in cosmic rays initially decreases in the energy region 1-10 GeV and increases thereafter. In this paper, we show that it is natural to expect such an increase of the positron fraction within the context of cosmic ray propagation models. It is shown that this ratio should reach an asymptotic value of ~0.6 at very high energies. The specific measurements by PAMELA help us to distinguish amongst various models for cosmic ray propagation, and in particular, they support the nested leaky box model. They also provide, in conjunction with the observations of the total electronic component by HESS, FERMI, ATIC, and other experiments, a way of estimating the spectrum of electrons directly accelerated by discrete sources of cosmic rays in the Galaxy.

研究の動機と目的

• PAMELAが観測した高エネルギー領域における陽電子割合の異常な上昇を、標準的宇宙線輸送モデルとは対照的に説明すること。
• 高精度の陽電子割合および全電子スペクトルデータを用いて、標準的リークィー・ボックスモデルとネストド・リークィー・ボックスモデルの間で競合する宇宙線輸送モデルを区別すること。
• PAMELAの陽電子割合測定値とHESS、FERMI、ATICの全電子スペクトルを組み合わせることで、銀河系起源の一次電子が直接加速されるスペクトルを抽出すること。
• ネストド・リークィー・ボックスモデルが陽電子割合および一次核種スペクトルの両者と整合するかどうかを評価し、従来のモデルにおける曖昧さを解消すること。

提案手法

• f_t(E) を HESS、FERMI、ATIC が測定した全電子スペクトルとする。陽電子割合 R(E) = f_{n+}(E) / f_t(E) を用いる。
• 逆比 P(E) = 1/R(E) = 1 + η + g_{e-}(E)/f_{n+}(E) を用いて、源に注入された電子スペクトル g_{e-}(E) を分離する。
• 宇宙線が源の周辺に局所化された領域に保持されるという仮定に基づくネストド・リークィー・ボックスモデルを採用し、高エネルギー領域ではエネルギーに依存しない滞在時間 τ_G を得る。
• 理論的陽電子割合（モデルA、B、C）をPAMELAデータと比較し、観測スペクトルに適合するよう正規化を調整する。
• 高エネルギー領域におけるエネルギー損失効果を組み込み、核成分のスペクトル勾配（β ≈ 2.65）を用いて二次的陽電子生成を制約する。
• 測定された f_{n+}(E) と R(E) を用いて、g_{e-}(E) = [P(E) - (1 + η)] f_{n+}(E) により一次電子スペクトルを導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ宇宙線における陽電子割合は約10 GeV以上のエネルギー領域で上昇するのか？これは標準的輸送モデルの予測とは対照的である。
• RQ2 標準的リークィー・ボックスモデルとネストド・リークィー・ボックスモデルのうち、どちらがPAMELAの陽電子割合データをよりよく説明するか？
• RQ3 PAMELAの陽電子割合とHESS/FERMIの全電子スペクトル測定値を組み合わせることで、銀河系起源の一次電子が直接加速されるスペクトルを再構築できるか？
• RQ4 リチウム、ベリリウム、ボロンなどの二次核種の観測スペクトルおよびμ+/μ−比は、異なる輸送モデルの妥当性をどのように制約するか？

主な発見

• ネストド・リークィー・ボックスモデルは、特に高エネルギー領域の上昇を説明する点で、標準的リークィー・ボックスモデルよりも優れた適合を示す。
• このモデルは、非常に高いエネルギー領域（E > 10^5 GeV）において陽電子割合が約~0.6に漸近することを予測し、観測傾向と整合する。
• 全電子スペクトルの観測スペクトル勾配（Γ ≈ 3.05、~1 TeVまで）と陽電子割合を組み合わせることで、一次電子注入スペクトル g_{e-}(E) の再構築が可能である。
• このモデルは、一次核種のパワー・ラウのスペクトル（勾配 ~E^{-2.65}）と整合するが、標準的リークィー・ボックスモデルとは異なり、約10 GeVでスペクトルの軟化を予測しない。
• 二次生成モデルのデゲネラシーを解消するため、陽電子が親核種のエネルギーの約5%しか持たないという事実を示し、二次核種よりも輸送効果に対して感受性が高いため、陽電子がより鋭いプローブとして機能することが明らかになった。
• モデルとデータの良好な一致は、銀河系内宇宙線輸送の文脈でネストド・リークィー・ボックスモデルが好ましいフレームワークであると支持する。