[论文解读] Antiproton modulation in the Heliosphere and AMS-02 antiproton over proton ratio prediction

P. Bobík, M. Boschini+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2011

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 28被引用 3

一句话总结

本研究提出了一种准时间依赖的二维随机模型，用于模拟太阳系内宇宙射线的调制，采用随机微分方程来模拟反质子与质子的输运。该模型使用相同的太阳系参数成功再现了观测到的反质子/质子比，与BESS-97和PAMELA数据具有良好的一致性，并对AMS-02的测量结果进行了预测。

ABSTRACT

We implemented a quasi time-dependent 2D stochastic model of solar modulation describing the transport of cosmic rays (CR) in the heliosphere. Our code can modulate the Local Interstellar Spectrum (LIS) of a generic charged particle (light cosmic ions and electrons), calculating the spectrum at 1AU. Several measurements of CR antiparticles have been performed. Here we focused our attention on the CR antiproton component and the antiproton over proton ratio. We show that our model, using the same heliospheric parameters for both particles, fit the observed anti-p/p ratio. We show a good agreement with BESS-97 and PAMELA data and make a prediction for the AMS-02 experiment.

研究动机与目标

• 开发一种准时间依赖的二维随机模型，用于模拟太阳系内宇宙射线的输运，考虑太阳调制效应。
• 使用相同的太阳系参数模拟反质子与质子的调制，以检验反质子/质子比的一致性。
• 将模型与BESS-97和PAMELA实验获得的反质子通量和比值的现有观测数据进行验证。
• 在相同调制条件下，为AMS-02实验在1 AU处测量的反质子/质子比提供预测。

提出的方法

• 通过随机微分方程（SDEs）求解帕克方程，以模拟太阳系内粒子的输运。
• SDEs包括径向和纬向扩散、太阳风引起的对流、绝热能量损失，以及由磁场梯度和曲率引起的漂移。
• 模型引入了倾斜的太阳系电流片，包含常规漂移和中性片漂移，扩散系数与刚度相关。
• 径向和纬向扩散系数源自平行扩散，垂直分量则通过与刚度相关的因子进行缩放。
• 积分采用与 $ r^2 $ 成比例的时间步长，以优化外太阳系的计算效率。
• 模型使用实测的太阳风速度、倾斜角以及估算的扩散参数（$ k_0 $），模拟1 AU处的粒子能谱。

实验结果

研究问题

• RQ1 一组相同的太阳系参数是否能同时再现不同能量范围内观测到的反质子/质子比？
• RQ2 包含漂移和扩散效应的二维随机模型，在多大程度上能再现BESS-97和PAMELA对反质子通量和比值的测量结果？
• RQ3 在相同调制条件下，AMS-02在1 AU处测量的反质子/质子比的预测值是多少？
• RQ4 包括漂移和对流在内的太阳调制效应，如何影响反质子相对于质子的能量谱？

主要发现

• 该模型在约60 MeV至约180 GeV的能量范围内，与BESS-97和PAMELA数据在反质子/质子比上的观测结果具有良好的一致性。
• 相同的太阳系参数（太阳风速度、倾斜角和扩散系数 $ k_0 $）能够成功描述反质子和质子的调制过程。
• 同时包含常规漂移和中性片漂移显著提升了模型再现观测到的纬向和能量依赖梯度的能力。
• 该模型预测1 AU处的反质子/质子比保持稳定，与预期的AMS-02测量结果一致，支持太阳调制框架的一致性。
• 采用随刚度变化的垂直扩散系数（向两极增加）显著改善了对观测到的质子和电子纬向梯度的再现效果。
• 模拟结果证实，反质子/质子比受太阳活动的调制作用稳健，其依赖性主要体现在调制参数上，对粒子电荷的依赖性极小。