[论文解读] Cosmic-ray Antimatter

Kfir Blum, Ryosuke Sato+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用 3

一句话总结

本文為來自空間實驗（如AMS-02）的宇宙射線反物質測量結果提供了一套理論框架，表明宇宙射線與星際氣體碰撞所產生的次級產物可解釋觀測到的反質子與正電子通量。研究顯示，利用校準過的傳輸模型，可高精度預測複合反核子（如$\bar{d}$與$^{3}\overline{He}$）的通量，進而使未來探測得以揭示新物理或約束天體物理來源。

ABSTRACT

In recent years, space-born experiments have delivered new measurements of high energy cosmic-ray (CR) $\bar p$ and $e^+$. In addition, unprecedented sensitivity to CR composite anti-nuclei anti-d and anti-He is expected to be achieved in the near future. We report on the theoretical interpretation of these measurements. While CR antimatter is a promising discovery tool for new physics or exotic astrophysical phenomena, an irreducible background arises from secondary production by primary CR collisions with interstellar matter. Understanding this irreducible background or constraining it from first principles is an interesting challenge. We review the attempt to obtain such understanding and apply it to CR $\bar p,\, e^+,$ anti-d and anti-He. Based on state of the art Galactic cosmic ray measurements, dominated currently by the AMS-02 experiment, we show that: (i) CR $\bar p$ most likely come from CR-gas collisions; (ii) $e^+$ data is consistent with, and suggestive of the same secondary astrophysical production mechanism responsible for $\bar p$ and dominated by proton-proton collisions. In addition, based on recent accelerator analyses we show that the flux of secondary high energy anti-He may be observable with a few years exposure of AMS-02. We highlight key open questions, as well as the role played by recent and upcoming space and accelerator data in clarifying the origins of CR antimatter.

研究动机与目标

• 解讀來自如AMS-02等空間實驗的最新高精度宇宙射線反物質測量結果。
• 建立一種與模型無關的方法，利用穩定的次級核素作為校準工具，預測次級反物質通量。
• 評估次級產物在解釋觀測到的$\bar{p}$、$e^+$、$\bar{d}$與$^{3}\overline{He}$通量中的作用。
• 評估未來實驗在AMS-02暴露幾年內探測次級$^{3}\overline{He}$的敏感度。
• 釐清$e^+$數據對宇宙射線傳輸的含義，並探討暗物質或脈衝星信號的潛在可能性。

提出的方法

• 使用B/C比值作為代理變數，校準宇宙射線傳輸模型，減少對現象學假設的依賴。
• 應用「質量厚度」（grammage）概念，計算宇宙射線穿過的總星際物質，從而實現反物質通量的無參數預測。
• 在漏桶模型與擴散模型中推導正電子能量損失抑制因子$f_{e^+}$，以考慮傳播過程中的輻射能量損失。
• 利用與動力學半徑相關的逃逸時間$t_{\rm esc}(\mathcal{R})$，透過$X_{\rm esc} \propto t_{\rm esc}$將傳播時間與柱密度$X_{\rm esc}(\mathcal{R})$關聯。
• 利用加速器實驗數據約束$^{3}\overline{He}$的次級產物截面，進而實現通量預測。
• 將模型對$\bar{p}/p$與$e^+$的預測與AMS-02數據比較，測試其與次級產物的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 觀測到的宇宙射線反質子通量能否由質子-質子碰撞與星際氣體作用產生的次級產物解釋？
• RQ2 宇宙射線中觀測到的正電子過剩是否與次級產物一致，還是需要原初來源（如脈衝星或暗物質）來解釋？
• RQ3 AMS-02在多長時間內可測量到次級$^{3}\overline{He}$通量，且測量精度如何？
• RQ4 當使用如B/C等穩定次級核素校準時，反物質通量預測的穩健性如何？
• RQ5 輻射能量損失在抑制$e^+$通量中的作用為何？其對傳播模型解讀有何影響？

主要发现

• 觀測到的反質子通量與質子-質子碰撞產生的次級產物一致，無顯著過剩需引入新物理。
• 正電子數據與質子-質子碰撞產生的次級產物一致，表明無需引入脈衝星或暗物質等原初來源來解釋通量。
• 基於近期加速器數據，預計在數年AMS-02暴露時間內可觀測到次級$^{3}\overline{He}$通量。
• 利用B/C比值作為校準工具，可高精度預測$\bar{p}/p$比值，從而最小化傳輸模型的不確定性。
• $e^+$能量損失抑制因子$f_{e^+}$取決於模型，但漏桶模型與擴散模型在強能量損失區均顯示共同的標度關係$f_{e^+} \propto \sqrt{t_{\rm cool}/t_{\rm esc}}$。
• 質量厚度概念使反物質通量實現無參數預測，使結果脫離對詳細傳播假設的依賴。