[论文解读] Comment on AMS02 results support the secondary origin of cosmic ray positrons

S. Dado, Arnon Dar|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 3

一句话总结

本文挑战了宇宙射线次级正电子在星际介质（ISM）中产生可解释AMS-02正电子通量的主张。基于先验信息并包含能量损失效应的简化模型表明，仅靠ISM中的次级产生无法匹配观测结果，但当与宇宙射线源内部的产生相结合时，总通量与实测数据高度一致，支持过量正电子起源于源的结论。

ABSTRACT

We present a simple calculation of the flux of secondary positrons produced in the ISM that is based only on priors. Our calculated ISM flux agrees very well with that calculated with the elaborate GALPROP code. It confirms that secondary production of positrons in the ISM by the primary cosmic rays cannot explain the observed sub-TeV flux of CR positrons. Moreover, we show that once energy loss of positrons in source and in the ISM are included, secondary production inside the CR sources plus the ISM does explain the measured near-Earth flux of cosmic ray positrons.

研究动机与目标

• 检验‘宇宙射线在星际介质中相互作用产生的次级正电子可解释AMS-02测量的高能正电子通量’这一主张。
• 评估Blum、Katz和Waxman提出的ISM中正电子产生的上限是否成立。
• 评估将宇宙射线源内部的次级正电子产生与ISM中的产生相结合，是否能解释观测到的通量。
• 在通量计算中纳入正电子在ISM和源中能量损失的影响。

提出的方法

• 基于先验信息，开发了一种简化的解析模型，使用谱指数β = 2.7的原初宇宙射线核素通量。
• 利用公式φe⁺(E) ≤ fe⁺ σin(pp) nism c τ φn / (β - 1) 计算ISM中次级正电子通量，其中fe⁺ ≈ 7×10⁻³。
• 通过τ = τesc τrad / (τesc + τrad) 计算能量损失 timescale，其中τrad ≈ 10¹⁶ (E/GeV)⁻¹ s 来自逆康普顿散射和同步辐射损失。
• 通过Kolmogorov型磁场中的扩散推导出逃逸时间τesc ≈ 10¹⁵ (E/GeV)⁻¹/³ s。
• 通过将ISM柱密度替换为总质量厚度X = 8.7 (E/10 GeV)⁻⁰.⁴ g/cm²（同时考虑源和ISM贡献）重新计算总通量。
• 将公式(3)得到的通量与AMS-02数据进行比较，结果表明当同时包含源和ISM产生时，两者具有极佳的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅靠ISM中次级正电子产生能否解释10 GeV以上观测到的AMS-02正电子通量？
• RQ2 在ISM和宇宙射线源中考虑正电子能量损失后，关于正电子过量起源的结论是否改变？
• RQ3 当考虑能量损失时，Blum、Katz和Waxman提出的ISM中正电子产生的上限是否依然稳健？
• RQ4 能否通过宇宙射线源和ISM中同时发生的次级正电子产生来解释总观测通量？
• RQ5 为重现测量到的正电子通量，宇宙射线核素需穿行的总质量厚度是多少？

主要发现

• 仅在ISM中产生的次级正电子通量在幅度和能谱形状上均远低于AMS-02测量值。
• 引入正电子能量损失——尤其是通过逆康普顿散射和同步辐射引起的辐射损失——会将有效ISM产生通量降低至观测值以下。
• 当同时考虑宇宙射线源内部和ISM中的次级产生时，总预测通量与AMS-02数据高度一致。
• 由B/C比导出的总质量厚度X = 8.7 (E/10 GeV)⁻⁰.⁴ g/cm²，为总穿行柱密度提供了连贯且准确的估计。
• 公式(3)计算得到的通量（包含源和ISM贡献）与实测正电子通量表现出极佳的一致性，支持正电子源于宇宙射线源的次级产生。
• 本研究结论认为，宇宙射线源中产生的次级正电子，结合ISM中的产生和能量损失效应，可解释观测到的正电子过量。