[论文解读] New Constraints on the Highest-Energy Cosmic-Ray Electrons and Positrons

Matthew D. Kistler, Hasan Yüksel|ArXiv.org|Dec 2, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 9

一句话总结

本文利用各向同性伽马射线通量限制的间接约束，首次推导出10 TeV以上宇宙射线电子和正电子通量的上限，借助电子和伽马射线在大气簇射中引发的电磁簇射之间的相似性。结果表明，像Geminga和Vela这样的附近脉冲星可能主导高能电子谱，对暗物质和宇宙射线传播模型具有重要意义。

ABSTRACT

At energies above a few TeV, no measurements of the cosmic-ray electron spectrum exist yet. By considering the similarity of air showers induced by electrons and gamma rays as seen by ground-based arrays, we use published limits on isotropic gamma-ray fluxes to place first constraints on the >10 TeV electron spectrum. We demonstrate that, due the proximity of known sources, the flux of such electrons (and positrons) can be large. We show how these smoothly connect to lower-energy positrons measured by PAMELA and relate to exciting new indications from Fermi.

研究动机与目标

• 建立10 TeV以上宇宙射线电子和正电子谱的首个观测约束，该能量范围尚无直接测量数据。
• 通过利用电子和伽马射线引发的簇射在物理上的相似性，弥补直接TeV能量尺度电子测量的缺失。
• 评估附近高能脉冲星和超新星遗迹对高能电子和正电子通量的潜在贡献。
• 将高能电子数据与PAMELA和Fermi在较低能量范围的测量结果联系起来，特别是在正电子过量的背景下。
• 通过引入能量损失效应和时变输运过程，改进电子和正电子传播的建模，避免出现非物理的超光速解。

提出的方法

• 将地基大气簇射实验（HEGRA、CASA-MIA、GRAPES、KASCADE、Milagro）发布的各向同性伽马射线通量上限，转化为对电子和正电子通量的约束。
• 利用电子和伽马射线在大气簇射探测器中产生的电磁簇射几乎无法区分的事实，使伽马射线实验的通量限制可被应用于电子。
• 采用保守假设：数据中100%的电磁簇射均由电子引起，从而得出电子通量的上限。
• 在银河系中使用包含能量损失效应（同步辐射和逆康普顿辐射）的时变输运方程，对电子和正电子的传播进行建模。
• 将附近脉冲星（Geminga、Vela）和超新星遗迹（Vela SNR、Cygnus Loop）的模型预测与推导出的通量限制及现有数据进行比较。
• 通过考虑传播效应，在包含原初源和次级产生机制的模型中拟合观测到的正电子分数和总$e^+ + e^-$谱。

实验结果

研究问题

• RQ1 在当前伽马射线通量约束下，10 TeV以上宇宙射线电子和正电子通量的上限是什么？
• RQ2 像Geminga和Vela这样的附近脉冲星在多大程度上可以解释GeV至TeV能量范围内观测到的正电子过量？
• RQ3 能量损失效应和时变传播如何影响地球附近高能电子通量的预测？
• RQ4 Fermi和HESS数据中观测到的特征（如约100 GeV处的谱硬化和约1 TeV处的截止）能否由附近源的贡献来解释？
• RQ5 超新星遗迹和脉冲星风星云在产生高能电子和正电子方面起什么作用？它们的距离和年龄如何影响可探测性？

主要发现

• 作者利用HEGRA、CASA-MIA、GRAPES和KASCADE实验的各向同性伽马射线通量限制，推导出10 TeV以上宇宙射线电子和正电子通量的新上限。
• 推导出的上限与低能测量结果具有可比性，且对附近高能电子源（如Geminga和Vela）的存在敏感。
• 建模结果表明，像Geminga这样的附近脉冲星可产生与GeV能量范围内观测到的正电子过量相匹配的电子和正电子通量，其自旋下降功率约40%转化为$e^+e^-$对。
• 以脉冲星为主导的模型中，正电子分数趋于饱和在约50%；而超新星遗迹主要贡献电子成分，除非发生次级加速。
• 通过在时变输运模型中引入能量损失效应，该分析排除了电子传播中的非物理超光速解。
• 结果表明，未来利用月球掩星或直接大气簇射探测的实验有望探测10–100 TeV能量范围，从而连接高能伽马射线观测与宇宙射线电子谱。