[论文解读] High-Energy Galactic Cosmic Rays (Astro2020 Science White Paper)

Frank Schröder, T. Abu‐Zayyad+20 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2019

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 122被引用 14

一句话总结

本白皮书提出通过增强现有的空气簇射阵列——冰立方的IceTop、低能扩展的望远镜阵列（TALE）以及皮埃尔·朱勒·奥古斯特天文台的升级——以提升对高能银河系宇宙射线（GCR）的测量。通过结合质量分辨的GCR数据与伽马射线和中微子观测，该研究旨在通过多信使协同作用和改进的强子相互作用模型，解决宇宙射线起源、传播以及银河系与河外宇宙射线过渡等关键谜题。

ABSTRACT

The origin of the highest energy Galactic cosmic rays is still not understood, nor is the transition to EeV extragalactic particles. Scientific progress requires enhancements of existing air-shower arrays, such as: IceCube with its surface detector IceTop, and the low-energy extensions of both the Telescope Array and the Pierre Auger Observatory.

研究动机与目标

• 解决0.1–1 EeV能量范围内最高能银河系宇宙射线（GCR）起源的未解之谜。
• 阐明宇宙射线能谱中“膝”、第二道“膝”和“踝”等谱特征的物理起源。
• 解决不同空气簇射实验在能量标度和成分测量方面存在的差异。
• 整合GCR数据与中微子和伽马射线观测，建立宇宙射线源的统一多信使图景。
• 通过改进强子相互作用模型，特别是对μ子产生过程的建模，降低GCR测量中的系统性不确定度。

提出的方法

• 利用冰立方（IceTop）的升级地表探测器，扩展低能GCR测量并提升能量分辨率。
• 在望远镜阵列（TALE）和皮埃尔·朱勒·奥古斯特天文台实施低能扩展，以增强对0.1–1 EeV能量范围的灵敏度。
• 通过空气簇射阵列与μ子和切伦科夫探测器的联合测量，提升质量成分的确定精度。
• 结合GCR数据与冰立方的中微子通量测量以及伽马射线观测，约束源群体和加速机制。
• 将GCR、中微子和伽马射线数据联合解释，并结合银河系磁场模型，研究传播效应。
• 利用高精度GCR数据对强子相互作用模型进行精细化，以解决模拟与观测之间μ子含量的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 银河系宇宙射线的最大加速能量可达多少？其向河外宇宙射线的转变机制是什么？
• RQ2 “膝”和第二道“膝”等谱特征是否源于源群体差异、磁扩散或传播效应？
• RQ3 宇宙射线通量中的大尺度各向异性如何与谱特征及源群体相关联？
• RQ4 为何不同空气簇射实验在能量标度和0.7 PeV特征的存在性上报告不一致？
• RQ5 GCR测量能否通过改进的强子相互作用模型，对标准模型之外的粒子物理提供约束？

主要发现

• 银河系中心是最高能银河系宇宙射线源的首要候选者，其潜在确认可通过GCR、中微子和光子观测的联合分析实现。
• 约3 PeV处的“膝”和仅由ARGO观测到的0.7 PeV特征，可能代表与源群体或传播效应相关的不同物理现象。
• 在约100 TeV和若干EeV能量处出现的大尺度各向异性相位翻转，暗示了不同宇宙射线群体之间的转变，或银河系主导向河外主导的转变。
• 实验间能量标度的差异可能源于强子相互作用建模和校准的差异，而非通量本身的内在变化。
• 改进的强子相互作用模型对于解决模拟与数据之间μ子预算的不匹配至关重要，这是GCR测量中主要的系统性不确定度来源。
• 多信使协同作用——尤其是结合GCR、中微子和伽马射线数据——可为宇宙射线最大加速能量提供下限，并约束源的性质。