[논문 리뷰] The importance of Fe fragmentation for LiBeB analyses: Is a Li primary source needed to explain AMS-02 data?

D. Maurin, E. Ferronato Bueno외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 01.

Radiation Therapy and Dosimetry인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 AMS-02 데이터에서 업데이트된 단면적 파arametrization을 사용하여 은하계 우주선에서 리튬, 베릴륨, 붕소(LiBeB) 동위원소의 생성에 있어 철(Fe) 분열의 역할을 재평가한다. Fe 분열은 Li 및 Be 플럭스에 최대 10% 기여하며, 1차 리튬 소스가 필요로 하지 않는 상황에서도 AMS-02 Li/C, Be/C, 및 B/C 비율에 대한 맞춤함수를 크게 향상시키며, 약 20% 향상된 확산 계수와 여러 단면적 집합 간의 향상된 일관성을 보인다.

ABSTRACT

High-precision data from AMS-02 on Li, Be, and B provide the best constraints on Galactic cosmic-ray transport parameters. We re-evaluate the impact of Fe fragmentation on the Li, Be, and B modelling. We discuss the consequences on the transport parameter determination and reassess whether a primary source of Li is needed to match AMS-02 data. We renormalised several cross-section parametrisations to existing data for the most important reactions producing Li, Be, and B. We used the USINE code with these new cross-section sets to re-analyse Li/C, Be/C, and B/C AMS-02 data. We built three equally plausible cross-section sets. Compared to the initial cross-section sets, they lead to an average enhanced production of Li ($\sim20-50\%$) and Be ($\sim5-15\%$), while leaving the B flux mostly unchanged. In particular, Fe fragmentation is found to contribute to up to 10\% of the Li and Be fluxes. Used in the combined analysis of AMS-02 Li/C, Be/C, and B/C data, the fit is significantly improved, with an enhanced diffusion coefficient ($\sim 20\%)$. The three updated cross-section sets are found to either slightly undershoot or overshoot the Li/C and B/C ratios: this strongly disfavours evidence for a primary source of Li in cosmic rays. We stress that isotopic cosmic-ray ratios of Li (and to a lesser extent Be), soon to be released by AMS-02, are also impacted by the use of these updated sets. Almost no nuclear data exist for the production of Li and B isotopes from Ne, Mg, Si, and Fe, whereas these reactions are estimated to account for $\sim 20\%$ of the total production. New nuclear measurements would be appreciated and help to better exploit the high-precision AMS-02 cosmic-ray data.

연구 동기 및 목표

• 철 분열이 LiBeB 은하계 우주선 생성 모델에 미치는 영향을 재평가하기.
• AMS-02 데이터를 설명하기 위해 1차 리튬 소스가 필요한지 평가하기.
• 철 및 무거운 원소에서 Li, Be, B 생성을 위한 단면적 파arametrization을 개선하기.
• 업데이트된 핵반응 불확실성 하에서 운반 매개변수 결정의 탄력성 테스트하기.
• 향후 AMS-02에서의 동위원소 비율 측정에 대한 함의 평가하기.

제안 방법

• 기존 실험 데이터를 기반으로 Li, Be, B 생성을 위한 다중 단면적 파arametrization을 재정규화하였다.
• 업데이트된 단면적 집합을 사용한 usine 코드를 활용하여 AMS-02 Li/C, Be/C, 및 B/C 데이터를 재분석하였다.
• 물리적 범위 내에서 핵심 반응이 변할 수 있도록 허용하는 벌점 변동 방법을 통해 불확실성 전파를 수행하였다.
• 세 가지 업데이트된 단면적 집합을 비교: OPT12, OPT12up22(에너지 의존성 향상), OPT22.
• 세 가지 운반 구성(슬림, QUAINT, BIG)에서 확산, 대류, 재가속화 매개변수를 피팅하였다.
• 50 GV에서 F, Ne, Na, Mg, Al, Si, Fe의 최신 AMS-02 데이터를 사용하여 1차 소스 농도를 정규화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 철 분열이 은하계 우주선에서 Li 및 Be 생성에 얼마나 기여하는가?
• RQ2 AMS-02 Li/C, Be/C, B/C 데이터에 대한 향상된 맞춤함수는 1차 리튬 소스 없이도 달성될 수 있는가?
• RQ3 특히 철 및 무거운 원소에 대한 업데이트된 단면적 파arametrization은 유도된 운반 매개변수에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 최신 AMS-02 원소 플럭스 데이터(예: Fe, Si) 사용이 LiBeB 비율 예측에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 업데이트된 단면적 집합은 확산 모델에서 저-강도 끊김의 중요성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• Fe 분열은 Li 및 Be 플럭스에 최대 10% 기여하며, 이는 이전 추정치보다 훨씬 높은 2차 생성 기여를 의미한다.
• 업데이트된 단면적 집합은 Li 생성량을 20–50% 증가시키고, Be 생성량을 5–15% 증가시키지만, B 플럭스에는 거의 영향을 주지 않는다.
• AMS-02 Li/C, Be/C, B/C 데이터에 대한 통합 피팅이 크게 향상되었으며, 최적 피팅 확산 계수는 약 20% 향상되었다.
• 세 가지 업데이트된 단면적 집합은 Li/C 및 B/C 비율을 약간 낮추거나 높이는 경향이 있어, 1차 리튬 소스의 필요성을 강력히 배제한다.
• QUAINT 및 BIG 구성에서 K0(확산 정규화)는 단면적 집합 선택에 민감하지 않으며, 대신 대류 및 재가속화 매개변수가 조정된다.
• Li의 동위원소 비율은 물론, 덜 명확하나 Be의 동위원소 비율도 업데이트된 단면적 집합의 영향을 받을 것으로 예상되며, 향후 AMS-02 동위원소 측정이 필요함을 시사한다.