[论文解读] Propagation of UHECRs in cosmological backgrounds: some results from SimProp

Roberto Aloisio, Denise Boncioli+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 5

一句话总结

本文提出 SimProp v2r1，一种用于模拟宇宙射线在宇宙辐射背景中传播的一维蒙特卡罗代码，改进了光致分解和π介子产生过程的处理方式。关键结果表明，在混合成分天体物理模型中，中微子通量比纯质子模型低几个数量级，这意味着除非源能谱延伸至超过GZK截止能量，否则可观测的UHE中微子通量可能性极低。

ABSTRACT

Ultra-High-Energy Cosmic Ray (UHECR) nuclei propagating in cosmological radiation backgrounds produce secondary particles detectable at Earth. SimProp is a one dimensional code for extragalactic propagation of UHECR nuclei, inspired by the kinetic approach of Aloisio et al. As in this approach, only a subset of nuclei and nuclear channels are used as representative. We discuss the validation of the code and present applications to UHECR experimental results. In particular we present the expected fluxes of neutrinos produced in some astrophysical scenario.

研究动机与目标

• 开发一种快速且准确的一维代码，用于模拟宇宙射线在宇宙辐射场中的传播。
• 通过改进核素光致分解和π介子产生过程的处理方式，对原始 SimProp v2r0 进行验证和优化。
• 计算并比较不同天体物理注入情景下（包括纯质子和混合成分模型）地球处预期的中微子通量。
• 评估在现实的源成分和能谱截断假设下，UHE中微子的可探测性。

提出的方法

• 该代码采用受 Aloisio 等人启发的输运方法，使用连续能量损失（CEL）近似来模拟对产生和π介子产生的能量损失。
• 光致分解过程通过基于 [6] 中的光子密度和截面数据的反向作用时间计算进行模拟，能量阈值和分支比基于实验数据。
• 在 v2r1 中，核子发射现为电荷守恒过程，发射的中子和不稳定核素经历β衰变，产生中微子。
• π介子产生被建模为单π介子光致产额，其在质心系中呈各向同性角分布，且π介子衰变为中微子和μ子。
• 代码仅追踪洛伦兹因子演化和红移历史，采用一维方法，能量和红移的注入分布为对数均匀分布。
• 中微子通量通过重新加权模拟事件并根据源中同位素丰度对不同初态核素的贡献进行累加，事后计算得出。

实验结果

研究问题

• RQ1 SimProp v2r1 中对核素光致分解和π介子产生的更新处理方式如何影响预测的UHECR能谱和中微子通量？
• RQ2 在受银河系宇宙射线丰度启发的混合成分天体物理情景下，地球处的中微子通量预期是多少？
• RQ3 纯质子注入模型中的中微子通量预测与ESS模型以及SimProp v2r1结果相比如何？
• RQ4 GZK抑制能截止和源能谱截断在多大程度上影响UHE中微子的可探测性？

主要发现

• SimProp v2r1 在纯质子注入情景下与ESS模型的中微子通量预测表现出良好的定性一致性，验证了代码中微子产生算法的正确性。
• 在受银河系启发的混合成分'银河系'情景中，中微子通量比ESS纯质子情景低几个数量级，原因在于有效能谱截断较低。
• 在混合成分模型中，GZK能谱截止约为每核子 10^18.5 eV，导致相互作用仅限于能谱的高能尾部。
• 由于 v2r1 中未包含基于EBL的光致强子过程，因此计算的中微子通量为保守下限，尤其在低能区更为显著。
• 更新后的代码现在在光致分解过程中正确实现了电荷守恒，并追踪了发射中子和不稳定核素β衰变产生的中微子。