[论文解读] On the Observation of the Cosmic Ray Anisotropy below 10$^{15}$ eV

G. Di Sciascio, R. Iuppa|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2014

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 5被引用 18

一句话总结

本文综述了低于10¹⁵ eV的宇宙射线各向异性的观测证据，识别出一种持续存在的大尺度本地时各向异性，表现为赤经40°–90°区间的'尾部进入'过剩和150°–240°区间的'损失锥'缺失，幅度为10⁻⁴至10⁻³。尽管银河系磁场偏转预期会导致各向同性，但该各向异性依然存在，且目前的宇宙射线传播或银河系磁场标准模型均无法完全解释大尺度与中等尺度特征的共存，凸显了当前天体物理学理论中的关键空白。

ABSTRACT

The measurement of the anisotropy in the arrival direction of cosmic rays is complementary to the study of their energy spectrum and chemical composition to understand their origin and propagation. It is also a tool to probe the structure of the magnetic fields through which cosmic rays travel. As cosmic rays are mostly charged nuclei, their trajectories are deflected by the action of galactic magnetic field they propagate through before reaching the Earth atmosphere, so that their detection carries directional information only up to distances as large as their gyro-radius. If cosmic rays below $10^{15}{ m\,eV}$ are considered and the local galactic magnetic field ($\sim3{ m\,μG}$) is accounted for, gyro-radii are so short that isotropy is expected. At most, a weak di-polar distribution may exist, reflecting the contribution of the closest CR sources. However, a number of experiments observed an energy-dependent \emph{"large scale"} anisotropy in the sidereal time frame with an amplitude of about 10$^{-4}$ - 10$^{-3}$, revealing the existence of two distinct broad regions: an excess distributed around 40$^{\circ}$ to 90$^{\circ}$ in Right Ascension (commonly referred to as "tail.in" excess) and a deficit (the "loss cone") around 150$^{\circ}$ to 240$^{\circ}$ in Right Ascension. In recent years the Milagro and ARGO-YBJ collaborations reported the of a "medium" scale anisotropy inside the tail-in region. The observation of such small features has been recently claimed by the IceCube experiment also in the Southern hemisphere. So far, no theory of cosmic rays in the Galaxy exists which is able to explain the origin of these different anisotropies leaving the standard model of cosmic rays and that of the galactic magnetic field unchanged at the same time.

研究动机与目标

• 分析低于10¹⁵ eV能量范围内宇宙射线各向异性的观测证据，该能量范围内由于强磁场偏转预期呈现各向同性。
• 研究在本地时框架中观测到的、具有'尾部进入'过剩和'损失锥'缺失的大尺度各向异性起源，该现象在多个实验中均有记录。
• 评估当前宇宙射线传播与银河系磁场模型是否能够解释大尺度与中等尺度各向异性的共存。
• 强调目前尚缺乏统一的理论框架，可在不修改宇宙射线标准模型或银河系磁场标准模型的前提下，同时解释大尺度偶极各向异性和局部中等尺度特征。

提出的方法

• 分析来自地基宇宙射线探测器（包括Milagro、ARGO-YBJ和IceCube）的数据，重点关注本地时框架中宇宙射线到达方向的分布。
• 利用二维天图识别局部各向异性特征，特别是'尾部进入'区域（40°–90° R.A.）内的特征。
• 比较从10¹¹ eV到10¹⁴ eV能量范围内各向异性的幅度与相位，以评估其能量依赖性。
• 评估宇宙射线扩散理论模型，包括扩散系数D对刚度R的依赖关系（D ∝ R⁰.¹⁵–⁰.⁶），以检验其再现观测各向异性的能力。
• 研究磁重连等替代机制，例如在日球尾部的磁重连，以及局部星际磁场中的湍流散射。
• 将各向异性特征与星际高能中性原子分布及日球层结构进行相关性分析，以检验外部影响的可能性。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何在低于10¹⁵ eV的宇宙射线到达方向中，尽管预期银河系磁场强烈偏转会使其趋于各向同性，仍持续存在幅度为10⁻⁴至10⁻³的大尺度各向异性？
• RQ2 何种物理机制可同时解释在本地时框架中观测到的'尾部进入'过剩（40°–90° R.A.）与'损失锥'缺失（150°–240° R.A.）？
• RQ3 如何将Milagro和ARGO-YBJ在'尾部进入'区域报告的中等尺度各向异性与宇宙射线传播的标准扩散模型相协调？
• RQ4 与日球层磁场的相互作用或星际介质中的湍流涟漪是否可解释观测到的能量依赖性各向异性特征？
• RQ5 为何目前所有关于银河系内宇宙射线传播的理论均无法在保持宇宙射线标准模型与银河系磁场标准模型的前提下，成功解释大尺度与小尺度各向异性的共存？

主要发现

• 在多个实验中，本地时框架下一致观测到幅度为10⁻⁴至10⁻³的大尺度各向异性，表现为赤经40°至90°区间的'尾部进入'过剩，以及150°至240°区间的'损失锥'缺失。
• 该各向异性在10¹¹ eV至10¹⁴ eV的能量范围内相位与幅度保持一致，表明存在稳定的方位调制。
• Milagro与ARGO-YBJ在'尾部进入'区域内报告了中等尺度各向异性，表明宇宙射线通量中存在局部结构。
• IceCube实验最近声称在南半球发现了类似的微小尺度各向异性，扩展了该现象的空间覆盖范围。
• 基于标准宇宙射线传播框架与标准银河系磁场模型的任何理论模型，均无法同时解释大尺度偶极各向异性和局部中等尺度特征。
• 这些特征的共存挑战了现有认知，提示需要引入新物理或对磁场结构与粒子散射模型进行精细化修正。