[论文解读] Constraints on the proton fraction of cosmic rays at the highest energies and the consequences for cosmogenic neutrinos and photons

Domenik Ehlert, A. van Vliet+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本论文利用宇宙射线中弥散伽马射线和中微子的多信使约束，研究了在10^18 eV以上能量下，超高能（UHE）质子在宇宙射线中可能达到的最大通量。研究发现，在20 EeV能量下，最多约10%的UHECR可为质子，且若质子的最大能量超过GZK极限，则宇宙起源中微子和光子通量将显著超过混合成分源的预测值，尤其在质子最大能量超过GZK极限时，会预测出在1 EeV以上的可探测UHE中微子通量。

ABSTRACT

Over the last decade, observations have shown that the mean mass of ultra-high-energy cosmic rays (UHECRs) increases progressively toward the highest energies. However, the precise composition is still unknown, and several theoretical studies hint at the existence of a subdominant proton component up to the highest energies. Motivated by the exciting prospect of performing charged-particle astronomy with ultra-high-energy (UHE) protons we quantify the level of UHE-proton flux that is compatible with present multimessenger observations and the associated fluxes of neutral messengers produced in the interactions of the protons. We study this scenario with numerical simulations of two independent populations of extragalactic sources and perform a fit to the combined UHECR energy spectrum and composition observables, constrained by diffuse gamma-ray and neutrino observations. We find that up to of order $10\%$ of the cosmic rays at the highest energies can be UHE protons, although the result depends critically on the selected hadronic interaction model for the air showers. Depending on the maximum proton energy ($E_ ext{max}^ ext{p}$) and the redshift evolution of sources, the associated flux of cosmogenic neutrinos and UHE gamma rays can significantly exceed the multimessenger signal of the mixed-mass cosmic rays. Moreover, if $E_ ext{max}^ ext{p}$ is above the GZK limit, we predict a large flux of UHE neutrinos above EeV energies that is absent in alternate scenarios for the origin of UHECRs. We present the implications and opportunities afforded by these UHE proton, neutrino and photon fluxes for future multimessenger observations.

研究动机与目标

• 确定与当前多信使观测一致的UHE质子通量最大允许值。
• 评估此类质子组分产生的宇宙起源中微子和光子通量，尤其在质子最大能量较高的情况下。
• 评估强子相互作用模型的选择如何影响允许的质子比例及相关的多信使信号。
• 探讨潜在质子组分对未来UHECR、中微子和伽马射线天文学的启示。
• 检验双源模型（混合成分 + 质子主导）在UHECR能谱和成分数据，以及弥散伽马射线和中微子约束下的可行性。

提出的方法

• 使用CRPropa 3模拟UHECR传播，包含与CMB及星系际背景光的相互作用。
• 对UHECR能谱和成分数据（Auger与Telescope Array）进行双源拟合，假设一个混合成分源群体和一个质子主导的源群体。
• 采用独立的强子相互作用模型（EPOS-LHC与Sibyll2.3c）以评估结果对模型的依赖性。
• 利用IceCube的弥散中微子限制和Fermi-LAT的弥散伽马射线数据，对允许的质子源参数施加多信使约束。
• 在质子源能谱指数（γPP）和红移演化（mPP）以及质子最大能量（EPP_max）上进行参数扫描。
• 通过∆χ²评估拟合质量，并与单源模型比较以评估质子组分的显著性。

实验结果

研究问题

• RQ1 与当前UHECR、伽马射线和中微子观测一致的UHE质子最大比例是多少？
• RQ2 质子组分产生的宇宙起源中微子和UHE伽马射线通量与混合成分源相比如何？
• RQ3 多信使数据对质子源组分的最大质子能量和能谱指数施加了哪些约束？
• RQ4 在EPP_max > 10^20 eV且能谱较硬的情况下，质子组分是否仍能通过当前观测限制？
• RQ5 强子相互作用模型的选择（如EPOS-LHC与Sibyll2.3c）如何影响允许的质子比例及推导出的信号？

主要发现

• 在20 EeV能量下，最多约10%的宇宙射线可为质子，具体数值取决于强子相互作用模型和质子最大能量。
• 对于2SC-uhecr模型，最佳拟合的质子贡献为2.4+3.1−0.2%（20 EeV），相比单源模型的显著性提升达3.7σ。
• 质子组分产生的宇宙起源中微子和UHE伽马射线通量可超过混合成分源的贡献，尤其在高EPP_max情景下更为显著。
• 若最大质子能量超过GZK极限（≈50 EeV），将预测出在1 EeV以上的大量UHE中微子通量，而标准混合成分模型中并无此现象。
• 在Sibyll2.3c模型下的2SC-dip模型中，20 EeV处的质子贡献为1.1+0.1−1.0%，但该结果在∆χ² ≈ 4下被中微子限制排除。
• 在EPP_max ≳10^20 eV的高能情景下，质子组分未被排除，但需满足质子能谱指数γPP ≳1以符合中微子和UHE伽马射线的约束。