[论文解读] Secondary Antiprotons in Cosmic Rays

I. V. Moskalenko, A. W. Strong+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2001

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 5

一句话总结

本文提出了一种3D银河宇宙射线传播模型（GALPROP），用于计算次级反质子通量，综合考虑了星际传播和太阳系内调制效应。采用在4 GV以下具有扩散系数转折点的扩散-对流模型，该模型与反质子、质子及B/C数据的符合度最佳，为暗物质搜寻提供了稳健的背景，并精确刻画了太阳活动周期中太阳调制效应的变化。

ABSTRACT

High energy collisions of cosmic ray (CR) nuclei with interstellar gas are believed to be the mechanism producing the majority of CR antiprotons. The distinguishing spectral shape with a maximum at 2 GeV and a sharp decrease towards lower energies makes antiprotons a unique probe of the models of particle propagation in the Galaxy and modulation in the heliosphere. Besides, accurate calculation of the secondary antiproton flux provides a ``background'' for searches for exotic signals from the annihilation of supersymmetric particles and primordial black hole evaporation. Recently new data with large statistics on the antiproton flux have become available which allow for such tests to be performed. We use our 3D Galactic cosmic ray propagation code GALPROP to calculate interstellar propagation in several models. For our best model we make predictions of proton and antiproton fluxes near the Earth for different modulation levels and polarity using a steady-state drift model for heliospheric modulation.

研究动机与目标

• 使用3D宇宙射线传播代码准确模拟次级反质子的星际及近地能谱。
• 通过优化传播与调制模型，解决观测反质子谱与理论预测之间的差异。
• 为探测暗物质或原初黑洞等奇异源提供可靠的背景通量。
• 研究太阳调制效应在不同太阳磁极性与倾斜角条件下的反质子通量影响。

提出的方法

• 使用GALPROP代码模拟具有柱对称性的3D银河宇宙射线传播，包含扩散、对流与再加速过程。
• 通过pp截面与DTUNUC核因子计算反质子产生，包括由非弹性散射产生的三级反质子。
• 针对多种传播模型（包括随机再加速、最小再加速与对流、纯扩散、扩散-对流）计算本地星际谱（LIS）。
• 采用稳态漂移模型实施太阳系内调制，调制势能随太阳磁极性（A>0 与 A<0）及倾斜角变化。
• 利用B/C比约束传播参数，晕高固定为4 kpc。
• 通过调整注入谱及4 GV以下的扩散系数，使模型匹配观测到的质子、氦同位素及反质子谱。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有物理解释的传播模型能否重现观测到的反质子谱，包括约2 GeV处的峰值及低能区的急剧下降？
• RQ2 为何标准的再加速/对流模型无法同时准确再现观测到的反质子与原初粒子谱？
• RQ3 太阳调制效应，特别是不同磁极性与倾斜角条件下，如何影响地球附近观测到的反质子通量？
• RQ4 4 GV以下扩散系数的转折点在调和模型预测与观测数据之间差异中起到何种作用？
• RQ5 该模型在探测超对称暗物质湮灭等奇异粒子时，作为背景的适用程度如何？

主要发现

• 具有4 GV以下扩散系数转折点的扩散-对流（DC）模型在整体上对反质子、质子、氦同位素及B/C数据的拟合效果最佳。
• 该模型成功再现了反质子谱在约2 GeV处的显著峰值及低能区的快速衰减。
• 在20 GV以下对注入谱进行展平，可显著改善对原初粒子谱的拟合，且对次级通量影响甚微。
• 太阳系内调制模型显示，反质子通量随太阳磁极性与倾斜角变化显著，低能区敏感度最高。
• 模型预测，反质子与质子的比值在不同太阳周期中变化可达约20%，具体取决于调制条件。
• 研究发现，次级粒子（如反质子）的注入谱在低能区缺乏转折点，是导致其他模型中出现虚假能谱峰的原因。