[论文解读] On the Positron Fraction and the Spectrum of the Electronic Component in Cosmic Rays

R. Cowsik, B. Burch|ArXiv.org|May 13, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 6

一句话总结

本文表明，PAMELA探测到的高能区正电子分数上升现象可自然地由宇宙射线传播模型解释，特别是嵌套漏桶模型，该模型预测在极高能量下正电子分数趋于~0.6。该模型对数据的拟合优于标准漏桶模型，并可通过结合PAMELA正电子分数数据与HESS/FERMI总电子谱，直接估算出宇宙射线源处的初级电子注入谱。

ABSTRACT

The recent observations of the positron fraction in cosmic rays by PAMELA indicate that the fraction of positrons to the total electronic component in cosmic rays initially decreases in the energy region 1-10 GeV and increases thereafter. In this paper, we show that it is natural to expect such an increase of the positron fraction within the context of cosmic ray propagation models. It is shown that this ratio should reach an asymptotic value of ~0.6 at very high energies. The specific measurements by PAMELA help us to distinguish amongst various models for cosmic ray propagation, and in particular, they support the nested leaky box model. They also provide, in conjunction with the observations of the total electronic component by HESS, FERMI, ATIC, and other experiments, a way of estimating the spectrum of electrons directly accelerated by discrete sources of cosmic rays in the Galaxy.

研究动机与目标

• 解释PAMELA观测到的高能区正电子分数异常上升现象，该现象与标准宇宙射线传播模型预测相矛盾。
• 利用高精度正电子分数和总电子谱数据，区分竞争性的宇宙射线传播模型，特别是标准漏桶模型与嵌套漏桶模型。
• 通过结合PAMELA正电子分数测量与HESS、FERMI和ATIC的总电子谱，提取直接由银河系源加速的电子的本征谱。
• 评估嵌套漏桶模型与正电子分数及初级核素谱的一致性，解决先前模型中的模糊性。

提出的方法

• 使用正电子分数 R(E) = f_{n+}(E) / f_t(E)，其中 f_t(E) 为HESS、FERMI和ATIC测量的总电子谱。
• 应用倒数比 P(E) = 1/R(E) = 1 + η + g_{e-}(E)/f_{n+}(E) 以分离出源注入的电子谱 g_{e-}(E)。
• 采用嵌套漏桶模型，该模型假设宇宙射线被储存在源附近的局部区域，导致在高能区具有能量无关的驻留时间 τ_G。
• 将三种模型（A、B、C）的理论正电子分数与PAMELA数据进行比较，归一化以匹配观测谱。
• 在高能区引入能量损失效应，并利用核成分的谱指数（β ≈ 2.65）约束次级正电子产生。
• 通过 g_{e-}(E) = [P(E) - (1 + η)] f_{n+}(E) 推导初级电子谱，使用PAMELA测量的 f_{n+}(E) 和 R(E)。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何宇宙射线中的正电子分数在能量高于~10 GeV时上升，与标准传播模型的预测相反？
• RQ2 在标准漏桶模型与嵌套漏桶模型之间，哪一模型更能解释PAMELA正电子分数数据？
• RQ3 能否通过结合PAMELA正电子分数与HESS/FERMI总电子谱测量数据，重构出由银河系源直接加速的电子谱？
• RQ4 观测到的次级核素（如Li、Be和B）谱以及μ+/μ−比值，如何约束不同传播模型的有效性？

主要发现

• 与标准漏桶模型相比，嵌套漏桶模型对PAMELA正电子分数数据的拟合更优，尤其在解释高能区上升趋势方面。
• 该模型预测正电子分数在极高能量下（E > 10^5 GeV）渐近趋于~0.6，与观测趋势一致。
• 观测到的总电子谱指数（Γ ≈ 3.05，至~1 TeV）与正电子分数相结合，可重构初级电子注入谱 g_{e-}(E)。
• 该模型与初级核素的幂律谱（指数~E^{-2.65}）一致，无需谱硬化，而标准漏桶模型会在~10 GeV处预测谱软化，与观测不符。
• 通过表明正电子仅携带其母核约5%的能量，该分析消除了次级产生模型中的退化问题，证明正电子对传播效应比次级核素更敏感。
• 模型与数据的良好一致性支持嵌套漏桶模型作为银河系中宇宙射线传播的首选框架。