[论文解读] Galactic cosmic ray propagation: sub-PeV diffuse gamma-ray and neutrino emission

Bing-Qiang Qiao, Wei Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本文利用宇宙射线传播模型研究了西藏AS³实验探测到的亚佩V弥散伽马射线的起源。结果发现，观测到的伽马射线与本地宇宙射线测量之间存在矛盾，结论是银河系宇宙射线对观测到的高能中微子通量的贡献最多仅为15%，大多数中微子源自河外源。

ABSTRACT

The Tibet ASgamma experiment just reported their measurement of sub-PeV diffuse gamma ray emission from the Galactic disk, with the highest energy up to 957 TeV. These gamma-rays are most likely the hadronic origin by cosmic ray interaction with interstellar gas in the Galaxy. This measurement provides direct evidence to the hypothesis that the Galactic cosmic rays can be accelerated beyond PeV energies. In this work, we try to explain the sub-PeV diffuse gamma-ray spectrum within cosmic rays diffusive propagation model. We find there is a tension between the sub-PeV diffuse gamma rays and the local cosmic ray spectrum. To describe the sub-PeV diffuse gamma-ray flux, it generally requires larger local cosmic-ray flux than measurement in the knee region. We further calculate the PeV neutrino flux from the cosmic ray propagation model. Even all of these sub-PeV diffuse gamma rays originate from the propagation, the Galactic neutrinos only account for less than ~15% of observed flux, most of which are still from extragalactic sources.

研究动机与目标

• 利用宇宙射线传播模型解释最近在银河系盘面观测到的亚佩V弥散伽马射线辐射。
• 评估观测到的亚佩V伽马射线通量与本地宇宙射线测量在膝区（~4 PeV）的一致性。
• 评估银河系宇宙射线传播对IceCube观测到的弥散高能中微子通量的贡献。
• 检验当前传播模型（均匀扩散与SDP模型）是否能同时再现亚佩V伽马射线数据与本地宇宙射线谱。
• 确定可通过强子相互作用归因于银河系源的观测天体中微子通量的最大可能比例。

提出的方法

• 采用三种宇宙射线传播模型：均匀扩散模型与两种版本的时空依赖传播（SDP）模型。
• 利用GALPROP软件模拟宇宙射线扩散，并计算强子相互作用中通过π介子衰变产生的伽马射线与中微子通量。
• 使用DRAGON代码计算相同强子相互作用产生的中微子能谱，考虑伽马射线与中微子之间的能量依赖比值。
• 将模型预测的伽马射线通量与西藏AS³实验在100 TeV至1 PeV能量区间测得的弥散发射数据进行比较。
• 以IceCube 7.5年中微子数据（幂律指数γ = -2.87）为基准，评估银河系对观测中微子通量的贡献。
• 调整本地宇宙射线源的归一化以匹配亚佩V伽马射线数据，随后评估由此产生的中微子通量与观测结果的相对关系。

Fig. 1: Calculation of B/C ratio to obtain the propagation parameters in HD, SDP-A and SDP-B models, with B/C data taken from the AMS-02 measurement (Aguilar et al., 2016 ) .

实验结果

研究问题

• RQ1 当前宇宙射线传播模型能否解释观测到的银河系盘面亚佩V弥散伽马射线通量？
• RQ2 为重现亚佩V伽马射线数据，所需本地宇宙射线通量水平为何？其与膝能区附近直接测量值相比如何？
• RQ3 银河系宇宙射线传播在多大程度上可解释IceCube探测到的高能中微子通量？
• RQ4 传播模型选择（均匀扩散 vs. SDP）如何影响预测的伽马射线与中微子能谱？
• RQ5 亚佩V伽马射线观测与本地宇宙射线谱之间是否存在不一致，提示需修改传播模型或引入额外源？

主要发现

• SDP-B传播模型在本地宇宙射线通量超过约10 PeV处观测到的全粒子谱时，最能再现观测到的亚佩V弥散伽马射线通量。
• 即使在SDP-B模型最理想条件下，预测的伽马射线通量在1 TeV（25° < l < 100°）及100 TeV以上（50° < l < 200°）仍低于观测值。
• 银河系宇宙射线传播计算得到的弥散中微子通量最多仅为IceCube观测通量的~15%，表明大多数高能中微子为河外起源。
• SDP-B模型要求显著增强本地宇宙射线通量，这与直接测量结果矛盾，且无法再现约20 TeV处宇宙射线核素的软化现象。
• 观测到的亚佩V伽马射线可能无法完全由传播过程解释，提示可能存在未解析或邻近的PeVatron（如天鹅座云状结构）的贡献。
• 亚佩V伽马射线观测与本地宇宙射线数据之间的张力表明，传播模型可能需要修正，例如在银河系中心附近采用更硬的能谱，同时保持本地传播特性。

Fig. 2: Calculated proton and helium energy spectra in propagation models of HD, SDP-A and SDP-B. The proton and helium data are taken from AMS-02 (Aguilar et al., 2015 , 2017 ) , CREAM-II (Yoon et al., 2017 ) , NUCLEON (Atkin et al., 2017 ) , DAMPE (An et al., 2019 ) and KASCADE (Apel et al., 2013