[论文解读] New calculation of radioactive secondaries in cosmic rays

I. V. Moskalenko, S. G. Mashnik+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2001

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用 11

一句话总结

本文利用更新的GALPROP模型和来自CEM2k代码及实验数据的改进核截面，提出了一种放射性次级宇宙射线同位素的新计算方法。通过更精确地约束产生产截面，该方法降低了晕尺寸估计的不确定性，得出的晕尺寸上限一致：26Al/27Al为3.5–6 kpc，36Cl/Cl为4–15 kpc，54Mn/Mn为3–7 kpc，所有结果均与先前基于Be的估计一致，支持了以往差异主要源于截面不准确的结论。

ABSTRACT

We use a new version of our numerical model for particle propagation in the Galaxy to study radioactive secondaries. For evaluation of the production cross sections we use the Los Alamos compilation of all available experimental cross sections together with calculations using the improved Cascade-Exciton Model code CEM2k. Using the radioactive secondary ratios 26Al/27Al, 36Cl/Cl, 54Mn/Mn, we show how the improved cross-section calculations together with the new propagation code allow us to better constrain the size of the CR halo.

研究动机与目标

• 通过改进放射性次级同位素的核反应截面，减少宇宙射线传播模型中的不确定性。
• 利用更新的截面和新版GALPROP传播代码，约束银河系宇宙射线晕的尺寸。
• 通过使用实验数据和CEM2k模型，解决以往因截面不准确而造成的晕尺寸估计差异问题。
• 通过整合全面的实验截面数据库，提高放射性同位素比值（26Al/27Al、36Cl/Cl、54Mn/Mn）预测的准确性。
• 通过将预测结果与ACE、Ulysses和Voyager数据对比，验证随机再加速模型。

提出的方法

• 采用全新重写的C++版本GALPROP代码，具备完整的三维空间网格功能，并提供二维选项以加快计算速度。
• 将洛斯阿拉莫斯的T16实验截面汇编与CEM2k计算的产额相结合，必要时对齐实验数据进行归一化。
• 使用CROSEC代码计算总非弹性截面，并采用自下而上的方式求解从64Ni到A=1的核反应网络。
• 应用随机再加速（SR）模型进行宇宙射线传播，通过调整晕尺寸（zh）以拟合B/C数据，同时调节源丰度以匹配稳定同位素比值。
• 通过力场近似应用日球层调制，将模型预测与调制后的ACE、Ulysses和Voyager观测结果进行比较。
• 通过在空间分辨网格上迭代求解传播方程，自动计算二级、三级及更高阶同位素。

实验结果

研究问题

• RQ1 来自CEM2k和实验数据的改进核截面如何影响宇宙射线中放射性次级同位素比值的预测？
• RQ2 核截面的不确定性在多大程度上导致了推导出的银河晕尺寸估计差异？
• RQ3 使用更新的截面和传播物理的新GALPROP模型，能否更好地重现ACE和Ulysses观测到的26Al/27Al、36Cl/Cl和54Mn/Mn比值？
• RQ4 当截面不确定性被最小化时，银河宇宙射线晕尺寸的约束结果如何？
• RQ5 与基于Webber等人（1990）截面代码和B/C数据的先前估计相比，新的晕尺寸限制有何差异？

主要发现

• 新的截面计算显著减少了26Al、36Cl和54Mn在1–10 GeV/n能量范围内的模型预测与实验数据之间的差异。
• 26Al/27Al比值的预测现给出3.5–6 kpc的晕尺寸约束，与先前基于B/C数据的1.5–6 kpc估计一致。
• 36Cl/Cl比值给出4–15 kpc的晕尺寸范围，尽管因元素丰度误差存在较大不确定性，但仍与其他同位素一致。
• 54Mn/Mn比值在1 GeV/nucleon以下区域变化平缓，受调制影响极小，支持3–7 kpc的晕尺寸。
• 当结合ACE数据和Ulysses元素丰度时，所有四种放射性同位素比值（26Al、36Cl、54Mn和Be）均给出3–6 kpc的一致晕尺寸约束。
• 分析结果证实，以往晕尺寸估计值的广泛离散性主要源于核截面不准确，而非物理模型本身的局限性。