[论文解读] A Markov Chain Monte Carlo technique to sample transport and source parameters of Galactic cosmic rays: II. Results for the diffusion model combining B/C and radioactive nuclei

Antje Putze, L. Derome+1 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Jan 4, 2010

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 93被引用 83

一句话总结

本研究采用马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）方法，结合B/C比值与放射性同位素比值（10Be/9Be、26Al/27Al、36Cl/Cl）数据，同时约束宇宙射线输运与源参数。结果得到最佳拟合银河晕尺寸为L = 8⁺⁸₋₇ kpc，本地稀薄泡半径rh = 120⁺²⁰₋₂⁰ pc，且结果对扩散指数δ及本地泡阻尼效应敏感。

ABSTRACT

On-going measurements of the cosmic radiation (nuclear, electronic, and gamma-ray) are shedding new light on cosmic-ray physics. A comprehensive picture of these data relies on an accurate determination of the transport and source parameters of propagation models. A Markov Chain Monte Carlo is used to obtain these parameters in a diffusion model. From the measurement of the B/C ratio and radioactive cosmic-ray clocks, we calculate their probability density functions, with a special emphasis on the halo size L of the Galaxy and the local underdense bubble of size r_h. The analysis relies on the USINE code for propagation and on a Markov Chain Monte Carlo technique (Putze et al. 2009, paper I of this series) for the parameter determination. As found in previous studies, the B/C best-fit model favours diffusion/convection/reacceleration (Model III) over diffusion/reacceleration (Model II). A combined fit on B/C and the isotopic ratios (10Be/9Be, 26Al/27Al, 36Cl/Cl) leads to L ~ 8 kpc and r_h ~ 120 pc for the best-fit Model III. This value for r_h is consistent with direct measurements of the local interstallar medium. For Model II, L ~ 4 kpc and r_h is consistent with zero. We showed the potential and usefulness of the Markov Chain Monte Carlo technique in the analysis of cosmic-ray measurements in diffusion models. The size of the diffusive halo depends crucially on the value of the diffusion slope delta, and also on the presence/absence of the local underdensity damping effect on radioactive nuclei. More precise data from on-going experiments are expected to clarify this issue.

研究动机与目标

• 利用统计上稳健的MCMC框架，确定银河系宇宙射线的输运与源参数。
• 结合B/C比值与放射性同位素数据，约束银河系扩散晕尺寸L与本地稀薄泡半径rh。
• 评估L与rh对扩散指数δ及放射性核素本地泡阻尼效应存在的依赖性。
• 为关键参数提供68%置信水平的包络线与后验概率密度函数。
• 评估推导出的参数与本地星际介质直接测量结果的一致性。

提出的方法

• 使用USINE代码进行宇宙射线传播模拟，采用包含卷流、再加速与银河风的扩散模型。
• 应用马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）方法，对输运与源参数的完整后验概率密度函数（PDF）进行采样。
• 使用IMP7-8、Voyager、ACE-CRIS、HEAO-3与CREAM的B/C比值数据，以及高空气球与航天器任务的同位素比值数据。
• 通过重新定义组合量如K₀ × 50^δ与Vₐ / √(K₀ × 3δ(4−δ²)(4−δ))，实现参数退化减少，以改善MCMC收敛性。
• 通过在放射性核素通量计算中引入与rh参数化的径向阻尼项，纳入本地稀薄泡效应。
• 利用边际化后验PDF，计算所有推导量（包括L与rh）的68%与95%置信水平包络线。

实验结果

研究问题

• RQ1 在同时拟合B/C与放射性同位素数据时，最可能的扩散指数δ值是多少？
• RQ2 银河晕尺寸L与本地稀薄泡半径rh的最佳拟合值及其不确定性是什么？
• RQ3 推断出的晕尺寸L如何依赖于δ的取值及本地泡阻尼效应的存在？
• RQ4 B/C比值与放射性同位素比值的结果在多大程度上一致地约束了相同的物理参数？
• RQ5 当改变模型假设（如是否包含银河风或再加速）时，参数约束的稳健性如何？

主要发现

• B/C分析显示，在包含卷流与再加速的模型中，最可能的扩散指数δ = 0.86⁺⁰.⁰⁴₋₀.⁰⁴，偏好较高的δ值。
• 仅包含扩散与再加速的模型中，δ = 0.234⁺⁰.⁰⁰⁶₋₀.⁰⁰⁵，但包含卷流的完整模型更优。
• 对B/C与同位素比值（10Be/9Be、26Al/27Al、36Cl/Cl）的联合拟合得到最佳拟合值为L = 8⁺⁸₋₇ kpc与rh = 120⁺²⁰₋₂⁰ pc。
• 推导出的rh = 120⁺²⁰₋₂⁰ pc与本地星际介质的直接测量结果一致。
• 在仅含扩散与再加速的模型中，L = 4⁺¹₋₁ kpc，rh = 3⁺⁷⁰₋₃ pc（与零一致），表明对rh的约束微弱。
• 晕尺寸L对δ高度敏感：当δ > 0.3时，rh ≈ 100 pc；当δ < 0.3时，rh趋近于零，且L保持较小。