[论文解读] Inferring the local interstellar spectrum of cosmic ray protons from PAMELA data

F. Loparco, Luca Maccione+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2013

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文利用包含电荷符号依赖漂移的详细太阳调制模型，从 PAMELA 数据（2006–2009 年）推断宇宙射线质子的局地星际谱（LIS）。结果表明，单一、时间无关的 LIS 最佳拟合数据，强烈约束扩散再加速速度 v_A < 12 km/s（置信水平 68%），并确认与 Fermi-LAT γ 射线数据的一致性，以及与单幂律注入模型的符合性。

ABSTRACT

We take advantage of the cosmic-ray (CR) proton data collected by the PAMELA detector in several campaigns covering the period 2006-2009 to derive the local interstellar CR proton spectrum (LIS), outside the solar system. We describe the propagation of CR protons in the solar system by means of a detailed model of the charge-sign dependent drifts occurring while CRs diffuse in the irregular solar magnetic field. We fit PAMELA data for each year of data taking and find that they are well described by a unique time-independent LIS. We then discuss the consequences of this LIS on galactic propagation models. We find that diffusive reacceleration is strongly constrained, thus confirming previous results derived from different channels.

研究动机与目标

• 从 PAMELA 的多年质子数据（2006–2009 年）推导宇宙射线质子的局地星际谱（LIS）。
• 通过建模不规则太阳磁场中的电荷符号依赖漂移，将太阳调制效应与银河系传播效应分离。
• 检验单一、时间无关的 LIS 是否能同时描述不同太阳活动周期下的 PAMELA 数据。
• 利用推断的 LIS 约束银河系传播参数——特别是扩散再加速和对流——。

提出的方法

• 采用两种 LIS 参数化模型：单幂律（SPL）和折返幂律（BPL），参数包括 k₀、p₀、α 和 p_br。
• 应用 HelioProp 数值代码模拟太阳系中宇宙射线的输运过程，包括由于太阳磁场大尺度梯度引起的电荷依赖漂移。
• 对每年的 PAMELA 质子能谱采用贝叶斯似然分析进行拟合，对太阳调制参数进行边缘化处理。
• 评估模型与 PAMELA 氦数据的兼容性，以及与 Fermi-LAT γ 射线推导的 LIS 的一致性。
• 通过检验推断的 LIS 是否与单幂律注入谱兼容，对银河系传播施加约束。
• 使用 BAT（贝叶斯分析工具包）计算再加速速度（v_A）和对流梯度（dv_C/dz）的后验概率分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否使用单一、时间无关的局地星际谱（LIS）同时描述 2006–2009 年间不同太阳活动阶段收集的 PAMELA 数据？
• RQ2 在太阳调制中包含电荷符号依赖漂移，对推断的 LIS 及其与观测的一致性有何影响？
• RQ3 推断的 LIS 对银河系传播模型中扩散再加速（v_A）和对流（dv_C/dz）强度施加了何种约束？
• RQ4 推断的质子 LIS 是否与扩散性激波加速模型所预期的单幂律注入谱一致？
• RQ5 从 PAMELA 数据推导的 LIS 与从 Fermi-LAT γ 射线观测推断的 LIS 相比如何？这对多信使方法中的系统不确定性有何启示？

主要发现

• 单一、时间无关的局地星际谱（LIS）对 2006 至 2009 年 PAMELA 数据提供了极佳的拟合，每年仅需对太阳调制参数作微小调整。
• 推断的 LIS 稍微偏好单幂律（SPL）谱，尽管双幂律（BPL）模型也与数据拟合得同样良好。
• 扩散再加速受到强烈约束：在 68% 置信水平下，v_A < 12 km/s，表明星际介质中再加速作用微弱。
• 当引入对流时，v_A 的上限略微提高至 v_A < 20 km/s，同时对流被约束为 dv_C/dz < 25 km/s/kpc。
• 最佳拟合模型在假设与质子相同的注入谱指数下，也能良好描述 PAMELA 的氦谱。
• 推导的 LIS 与 Fermi-LAT γ 射线推导的 LIS 良好一致，证实了多信使方法在宇宙射线谱测定中的互补性与一致性。