[論文レビュー] Possible Interpretations of the High Energy Cosmic Ray Electron Spectrum measured with the Fermi Space Telescope

Dario Grasso, For The Fermi-LAT Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 5被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、20 GeV から 1 TeV の範囲でフェルミ-LAT が測定した宇宙線電子および陽電子（CRE）スペクトルを分析し、従来の知られていたものよりも硬化したスペクトルを確認するとともに、100 GeV 以上のエネルギーで追加成分の兆候を示している。標準的な銀河的宇宙線モデル、パルサー源、およびダークマターの対消滅／崩壊を比較検討した結果、成熟したパルサーが PAMELA の陽電子過剰とフェルミデータを説明する説得力のある天体物理学的解釈を提供していることが示された。一方、400 GeV から 2 TeV の質量をもつダークマターモデルは、依然として妥当ではあるが、それほど支持は受けていない。

ABSTRACT

The Fermi Large Area Telescope has provided the measurement of the high energy (20 GeV to 1 TeV) cosmic ray electrons and positrons spectrum with unprecedented accuracy. This measurement represents a unique probe for studying the origin and diffusive propagation of cosmic rays as well as for looking for possible evidences of Dark Matter. In this contribution we focus mainly on astrophysical sources of cosmic ray electrons and positrons which include the standard primary and secondary diffuse galactic contribution, as well as nearby point-sources which are expected to contribute more significantly to higher energies. In this framework, we discuss possible interpretations of Fermi results in relation with other recent experimental data on energetic electrons and positrons (specifically the most recent ones reported by PAMELA, ATIC, PPB-BETS and H.E.S.S.).

研究の動機と目的

• 20 GeV から 1 TeV の範囲で測定された高精度なフェルミ-LAT 宇宙線電子および陽電子（CRE）スペクトルを解釈すること。
• 標準的な銀河的宇宙線電子モデルと PAMELA の陽電子分数量過剰との間に生じる矛盾を解消すること。
• 近隣の成熟したパルサーやダークマターの対消滅／崩壊が、観測された CRE スペクトルおよび陽電子過剰をどのように説明できるかを評価すること。
• 従来のモデル、パルサー源、ダークマターのシナリオが、複数の機器（PAMELA、ATIC、H.E.S.S.、フェルミ-LAT）のデータとどの程度整合するかを評価すること。

提案手法

• 銀河的宇宙線電子（GCRE）の伝播を、空間的に連続した源分布と銀河間物質内での二次的陽電子生成を伴う、GALPROP 数値コードを用いてモデル化する。
• 太陽の調節効果を 0.55 GV のポテンシャルを用いた力場近似を適用し、低エネルギー補正をモデル化する。
• 150 個の成熟したパルサー（d < 3 kpc、T > 5×10⁴ yr）のスピンダウン光度と推定された e± 組み合わせ効率を用いて、パルサー寄与を合算でモデル化する。
• 時間積分されたスピンダウン光度から得られるエネルギー放出を基に、パルサーからの電子および陽電子の注入スペクトルを計算する。
• 単一エネルギーの e±、レプトフィリックな対消滅（各チャネルに 1/3 の分岐比）、および弱いボソンに崩壊する超重いダークマター（数 TeV 以上）のモデルを評価する。
• χ² 擬合と系統誤差の伝播を用いて、フェルミ-LAT、PAMELA、ATIC、H.E.S.S.、およびフェルミ以前のデータ（AMS-01、HEAT）とモデル予測を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェルミ-LAT が 20 GeV から 1 TeV の範囲で測定した CRE スペクトルに、単純なべき乗則からの逸脱が見られ、追加成分の兆候があるだろうか？
• RQ2 連続的源分布をもつ従来の GCRE モデルは、フェルミ-LAT データをよく適合させつつ、PAMELA の陽電子分数量測定と整合するだろうか？
• RQ3 近隣の成熟したパルサーが、観測された陽電子過剰および 70 GeV 以上のエネルギーで見られる CRE スペクトルの硬化をどの程度説明できるだろうか？
• RQ4 レプトンを最終状態に持つダークマターの対消滅または崩壊モデルは、PAMELA の陽電子過剰とフェルミ-LAT の CRE スペクトルの両方と整合するだろうか？
• RQ5 高エネルギー CRE の起源がパルサーかダークマターかを区別するための観測戦略（例：非等方性、広いエネルギー範囲、ガンマ線パルサー検出）は何か？

主な発見

• フェルミ-LAT の CRE スペクトルは約 70 GeV で硬化し、約 500 GeV 以上で急激に傾斜がきつくなるが、現在の系統誤差では統計的に有意ではない。
• 注入指数 γ₀ = 2.42（δ = 0.33）または γ₀ = 2.33（δ = 0.6）をもつ従来の GCRE モデルは、フェルミ-LAT データに良好に適合し、自由度 23 の χ² = 9.7 を示す。
• PAMELA の陽電子分数量過剰は、従来の GCRE モデルでは説明できない。このモデルは観測値よりも低い陽電子分数量を予測する。
• 約 150 個の近隣の成熟したパルサー（d < 3 kpc、T > 5×10⁴ yr）の寄与を含む二成分モデルは、PAMELA の陽電子過剰とフェルミ-LAT の CRE スペクトルの両方をうまく説明できる。
• 400 GeV から 1–2 TeV の質量をもつダークマターのモデル、特に純粋な e± およびレプトフィリックなモデルは、PAMELA およびフェルミ-LAT データと両立可能であるが、標準的な熱的リリック対消滅断面積に対して 20–100 のブースト因子を必要とする。
• 超重いダークマターのモデル（数 TeV 以上）は、フェルミ-LAT および H.E.S.S. データによって顕著に否定される。これは高エネルギー領域で過剰な CRE 流束を予測するためである。