[論文レビュー] Ultra high-energy cosmic rays from beyond the Greisen-Zatsepin-Kuz'min horizon

Ellis R. Owen, Qin Han+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 135被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、従来のグライゼン＝ツァツキン＝クズミン（GZK）境界をはるかに超える赤方偏移 z ∼ 2–3 の源から発する超高エネルギー宇宙線（UHECRs）が、光核反応および光ニュートリノ反応によって、地球における観測されたUHECRフラックスに顕著な寄与をすると示している。強い減衰にもかかわらず、これらの遠方源は、周囲の近接源に由来する非等方的フレアと併存する、顕著な等方的背景成分を生成する。この背景の強度は、源集団の性質および核種組成に依存する。

ABSTRACT

Ultra-high-energy (UHE) cosmic rays (CRs) of energies $\sim (10^{18}-10^{20})~{ m eV}$, accelerated in violent astrophysical environments, interact with cosmic background radiation fields via photo-hadronic processes, leading to strong attenuation. Typically, the Universe would become `opaque' to UHE CRs after several tens of Mpc, setting the boundary of the Greisen-Zatsepin-Kuz'min (GZK) horizon. In this work, we investigate the contribution of sources beyond the conventional GZK horizon to the UHE CR flux observed on Earth, when photo-spallation of the heavy nuclear CRs is taken into account. We demonstrate this contribution is substantial, despite the strong attenuation of UHE CRs. A significant consequence is the emergence of an isotropic background component in the observed flux of UHE CRs, coexisting with the anisotropic foreground component that are associated with nearby sources. Multi-particle CR horizons, which evolve over redshift, are determined by the CR nuclear composition. Thus, they are dependent on the source populations and source evolutionary histories.

研究の動機と目的

• 標準的GZK境界（約50 Mpc）を越える源からの超高エネルギー宇宙線（UHECRs）が、地球で観測されるフラックスに果たす寄与を調査すること。
• 光核反応および光ニュートリノ反応が、宇宙論的距離にわたるUHECR核の伝搬および減衰に与える影響を評価すること。
• 遠方源が、近接源に由来する非等方的フレアと併存する、検出可能な等方的背景成分を生成できるかどうかを特定すること。
• UHECRフラックスが源集団モデル、核種組成、赤方偏移の時間的変化にどのように依存するかを評価すること。
• ピエール・オーギュール観測所の観測データと比較し、妥当な源集団モデルを制限すること。

提案手法

• 宇宙背景放射（CMB）および銀河間背景光（EBL）を含む宇宙空間の放射場を経由するUHECR核の粒子輸送方程式を数値的に解く。
• 確立された天体物理学的モデルに基づく断面積を用いて、光ハドロン反応（特に光電子対生成、共鳴および直接的単一π中間子生成、光核反壊）を組み込む。
• EBLを6成分の黒体近似で表現し、赤方偏移に伴う変化を、z = 1.4 まで累乗則に従う次元なしの重み fi(z) でモデル化する。
• 星形成率（SFR）、ガンマ線バースト（GRB）、活動銀河核（AGN）、赤方偏移に伴う変化を伴うべきべき乗則型（PLW）の4種類の異なる源集団クラスを用いて源集団をモデル化する。各モデルは特徴的なスペクトル的および進化的性質を持つ。
• 赤方偏移に依存する、赤方偏移 z を超える源に由来するUHECRの割合 fCR(>z) を計算し、遠方源の寄与を定量化する。
• ピエール・オーギュール観測所のデータと比較し、z = 0 における予測されたUHECR質量組成スペクトルを、源モデルの制限に用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的GZK境界（約50 Mpc）を越える源からの超高エネルギー宇宙線が、依然として地球で観測されるUHECRフラックスに顕著な寄与をできるか？
• RQ2 光核反応および光ニュートリノ反応が、宇宙論的距離にわたるUHECR核の伝搬および減衰にどのように影響するか？
• RQ3 遠方源が等方的成分に果たす寄与は何か？ また、それらは近接源に由来する非等方的フレアとどのように共存するか？
• RQ4 UHECRの核種組成は、源集団モデルおよび赤方偏移の時間的変化にどのように依存するか？
• RQ5 星形成率（SFR）、ガンマ線バースト（GRB）、活動銀河核（AGN）、べき乗則型（PLW）の源集団モデルの中で、ピエール・オーギュール観測所のUHECR質量組成データと整合するものはどれか？

主な発見

• 赤方偏移 z ∼ 2–3 の源からのUHECRsは、光ハドロン反応による強い減衰にもかかわらず、地球で観測されるフラックスに顕著な寄与を示す。
• 重い核種の光核反壊は、UHECRフラックスにおける拡散的で等方的な背景成分を形成する二次粒子を生成する。
• 等方的背景フラックスは顕著であり、近接源に由来する非等方的成分と併存しており、10^20 eVを超えるUHECRsが純粋に近接起源であるという仮定を揺るがす。
• 特定のモデルでは、赤方偏移 z に対して fCR(>z) が z ≈ 3 で最大100%に達し、宇宙論的スケールの寄与を示している。
• 平均UHECR質量組成データとの比較により、PLW型源集団モデルは強く否定される。
• 遠方源に由来するUHECRsの大部分は、地球に到達するまでに一次粒子のまま残っている。これは、光核反壊および相互作用が、宇宙論的スケールで核種を完全に破壊しないことを示している。