[论文解读] Acceleration and Particle Field Interactions of Cosmic Rays II: Calculations

Abdel Nasser Tawfik, A. Saleh+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2010

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文提出了一种基于等离子体场相互作用的通用加速模型，用于超高能宇宙射线（UHECRs），排除了费米机制。该模型计算了四种漂移类型——$\mathbf{E} \times \mathbf{B}$、极化、曲率和梯度E漂移——的能量增益，发现时变磁场中的梯度E漂移可将质子加速至约10^22 eV，超过GZK截止能量，与Hillas机制相当。

ABSTRACT

Based on the generic acceleration model, which suggests different types of electromagnetic interactions between the cosmic charged particles and the different configurations of the electromagnetic (plasma) fields, the ultra high energy cosmic rays are studied. The plasma fields are assumed to vary, spatially and temporally. The well-known Fermi accelerations are excluded. Seeking for simplicity, it is assumed that the energy loss due to different physical processes is negligibly small. The energy available to the plasma sector is calculated in four types of electromagnetic fields. It has been found that the drift in a time--varying magnetic field is extremely energetic. The energy scale widely exceeds the Greisen-Zatsepin-Kuzmin (GZK) cutoff. The polarization drift in a time--varying electric field is also able to raise the energy of cosmic rays to an extreme value. It can be compared with the Hillas mechanism. The drift in a spatially--varying magnetic field is almost as strong as the polarization drift. The curvature drift in a non--uniform magnetic field and a vanishing electric field is very weak.

研究动机与目标

• 利用电磁等离子体场相互作用，研究超高能宇宙射线（UHECRs）的非费米加速机制。
• 评估在不同电磁场构型下，各种等离子体漂移机制的能量增益。
• 评估等离子体场相互作用是否能够产生超过格雷森-扎采平-库兹明（GZK）截止能量的粒子。
• 将各种漂移机制（包括极化和梯度E漂移）与Hillas机制的效率进行比较。

提出的方法

• 应用Tawfik:2010jh提出的通用加速模型，假设电磁场存在空间和时间上的变化。
• 分析四种类型的等离子体漂移：$\mathbf{E} \times \mathbf{B}$、极化、曲率和梯度E漂移。
• 利用广义形式$\mathcal{E} = 2q\mathbf{E} \cdot \mathbf{r}$计算能量增益，该形式由场构型和守恒定律推导得出。
• 该模型假设辐射引起的能量损失可忽略不计（如同步辐射、轫致辐射），仅关注场相互作用的贡献。
• 应用磁流体动力学（MHD）约束条件，包括$\mathbf{E} \cdot \mathbf{B} = 0$和$\mathbf{E} = -\mathbf{V} \times \mathbf{B}$，以确保物理一致性。
• 对质量为$m$、电荷为$q$的粒子进行数值计算，初始速度假设为有限值或零。

实验结果

研究问题

• RQ1 在排除费米机制的前提下，等离子体场相互作用是否能够产生超过GZK截止能量的超高能宇宙射线？
• RQ2 在$\mathbf{E} \times \mathbf{B}$、极化、曲率和梯度E漂移这四种等离子体漂移机制中，哪一种对宇宙射线能量增益的贡献最大？
• RQ3 与Hillas机制相比，时变磁场中的能量增益在可实现的能量尺度上如何？
• RQ4 电磁场的空间和时间变化在多大程度上增强了粒子加速，使其超越标准模型？
• RQ5 时变磁场中的梯度E漂移是否能够产生约10^22 eV量级的能量，如法拉第定律和场动力学所预测的？

主要发现

• 时变磁场中的梯度E漂移产生的能量增益最高，可将质子加速至约10^22 eV，远超约10^19.7 eV的GZK截止能量。
• 时变电场中的极化漂移极为有效，可实现与Hillas机制相当的能量量级。
• 在空间变化的磁场中产生的漂移，其能量增益几乎与极化漂移相当，表明具有强大的加速潜力。
• 在无电场的非均匀磁场中，曲率漂移极弱，仅贡献数MeV，在相对论区可忽略不计。
• $\mathbf{E} \times \mathbf{B}$漂移及其他标准漂移在实现极高能量方面，效果不如梯度E漂移和极化漂移。
• 尽管忽略了能量损失，该模型表明，仅通过等离子体场相互作用即可解释UHECR能量，而无需引入费米加速或新物理。