[論文レビュー] p, He, and C to Fe cosmic-ray primary fluxes in diffusion models: Source and transport signatures on fluxes and ratios

Antje Putze, D. Maurin+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2010

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 68被引用数 31

ひとこと要約

本研究では、拡散モデルを用いて一次宇宙線フラックス（p、He、CからFeまで）およびその比を分析し、スペクトル形状が主に輸送効果によって決定されることを示している。全核種において一様な源スペクトル指数α ≈ 2.2–2.5が得られ、源パラメータと輸送パラメータのデゲネラシーはη_S − η_T ≈ 0–1で最もよく制約され、1 TeV/n未満で断片的な変化を必要としない一様な源スペクトルが支持される。

ABSTRACT

The propagated fluxes of proton, helium, and heavier primary cosmic-ray species (up to Fe) are a means to indirectly access the source spectrum of cosmic rays. We check the compatibility of the primary fluxes with the transport parameters derived from the B/C analysis, but also if they bring further constraints. Proton data are well described in the simplest model defined by a power-law source spectrum and plain diffusion. They can also be accommodated by models with, e.g., convection and/or reacceleration. There is no need for breaks in the source spectral indices below $\sim 1$ TeV/n. Fits on the primary fluxes alone do not provide physical constraints on the transport parameters. If we let free the source spectrum $dQ/dE = q β^{η_S} {\cal R}^{-α}$ and fix the diffusion coefficient $K(R)= K_0β^{η_T} {\cal R}^δ$ such as to reproduce the B/C ratio, the MCMC analysis constrains the source spectral index $α$ to be in the range $2.2-2.5$ for all primary species up to Fe, regardless of the value of the diffusion slope $δ$. The $η_S$ low-energy shape of the source spectrum is degenerate with the low-energy shape $η_T$ of the diffusion coefficient: we find $η_S-η_T\approx 0$ for p and He data, but $η_S-η_T\approx 1$ for C to Fe primary species. This is consistent with the toy-model calculation in which the shape of the p/He and C/O to Fe/O data is reproduced if $η_S-η_T\approx 0-1$ (no need for different slopes $α$). When plotted as a function of the kinetic energy per nucleon, the low-energy p/He ratio is shaped mostly by the modulation effect, whereas primary/O ratios are mostly shaped by their destruction rate.

研究の動機と目的

• 一次宇宙線フラックスおよびその比が拡散モデルにおける源パラメータか輸送パラメータかを制約する程度を評価すること。
• p、He、CからFeのフラックスのスペクトル形状が源スペクトルに起因するのか、それとも輸送効果に起因するのかを特定すること。
• 複数の核種にわたるフラックスと比のフィッティングを通じて、元素ごとの源スペクトルの普遍性を検証すること。
• 源スペクトル指数α、低エネルギー源形状η_S、低エネルギー拡散係数形状η_Tの間のデゲネラシーを解明すること。

提案手法

• 解析的公式を用いて源パラメータと輸送パラメータのデゲネラシーを探索する。
• USINE輸送パッケージを用いて銀河内での宇宙線輸送をシミュレートする。
• MINUITを用いたχ²最小化とマーカフ連鎖モンテカルロ（MCMC）手法を用いてフラックスおよび比のデータにフィットする。
• 拡散係数K(R) = K₀β^η_T R^δをB/C比を再現するために固定し、dQ/dE ∝ qβ^η_S R^−αとパラメータ化した源スペクトルにフィットする。
• 太陽風モジュレーションおよび核破壊効果を分離するために、運動エネルギーおよび剛性関数としてのp/HeおよびX/O（X > 2）比を分析する。
• 低エネルギー域（数100 MeV/n）におけるボイジャー観測データを用いて、η_S − η_Tのデゲネラシーを解消する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 B/C比から得られるパラメータを超えて、一次フラックスおよび比は輸送パラメータをどの程度制約するか？
• RQ2 p、He、CからFeのフラックスの観測されたスペクトル形状は、主に源スペクトルに起因するのか、それとも輸送効果に起因するのか？
• RQ3 pからFeまでの元素にわたって、一様な源スペクトルを推定できるのか、それとも元素ごとに異なるスペクトル指数が存在するのか？
• RQ4 源スペクトルの低エネルギー形状（η_S）と拡散係数（η_T）の間のデゲネラシー構造はいかなるものか？
• RQ5 モジュレーションおよび核破壊は、p/HeやX/Oといった一次フラックス比の形状にどのように影響するか？

主な発見

• 全一次核種（pからFeまで）において、源スペクトル指数αはδ（拡散指数）に依存せず、2.2–2.5に制約される。
• η_S − η_T ≈ 0–1という差はデータから強く制約され、pおよびHeではη_S − η_T ≈ 0、CからFeではη_S − η_T ≈ 1である。
• 1 TeV/n未満で源スペクトルに断片的変化（break）を導入する必要はなく、単一のパワーロー源スペクトルがすべてのデータに適合する。
• 低エネルギー域におけるp/He比は主に太陽モジュレーションに支配され、X/O比は主に銀河間媒体（ISM）内での破壊率に支配される。
• 一次フラックスのみのフィットでは輸送パラメータは制約されないが、B/Cに基づくモデルと組み合わせると、源パラメータは強く制約される。
• 本分析は、元素間で一貫したスペクトル指数を持つ一様な源スペクトルを支持しており、元素別に異なる注入スペクトル指数を必要としない。