[论文解读] Spatial-Dependent Diffusion of Cosmic Rays and the Ratio of pbar/p, B/C

Yi-Qing Guo, Zhen Tian+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 81被引用 8

一句话总结

本文提出，银河系盘面中空间依赖的扩散——特别是内晕区域扩散系数对刚度的依赖性降低——可同时解释AMS02观测到的原初质子和电子能谱硬化，以及$\bar{p}/p$和$B/C$比值的平坦性。通过在DRAGON软件包中使用双晕模型对扩散系数$D(r,z,\rho)$进行建模，作者在不引入新物理或多重源群体的情况下，重现了原初能谱的硬化和次级/原初比值的平坦性。

ABSTRACT

Recent precise measurements of cosmic ray spectral revealed an anomalous hardening at ~200 GV for nuclei from PAMELA, CREAM, ATIC, AMS02 experiments and at tens of GeV for primary electron derived from AMS02 experiment. Particularly, the latest observation of pbar/p ratio by AMS02 demonstrated a flat distribution, which further validated the spectrum anomalies of secondary particles. All those new phenomena indicated that the conventional propagation model of cosmic rays meet challenge. In this work, the spatial-dependent propagation coefficient D(r,z,ρ) is employed by tracing the source distribution under the physical picture of two-halo model in DRAGON package. Under such scenario, the model calculation will result in a two-component spectral for primary nuclei and electron. Simultaneously, due to the smaller rigidity dependence of D(r,z,ρ) in galactic disk, the ratio of secondary-to-primary will be inevitablly flatter than the calculation in the conventional propagation model. As a result, we can reproduce the spectral hardening of proton, electron and the flat ratio of pbar/p and B/C by only adopting the spatial-dependent propagation coefficient D(r,z,ρ) in galactic disk.

研究动机与目标

• 为解决精确的AMS02测量结果与传统传播模型（CPM）预测之间的矛盾，后者预测存在显著的能量依赖性软化。
• 探究在银河系盘面中，空间变化的扩散系数$D(r,z,\rho)$——特别是内晕区域对刚度的依赖性降低——是否能同时解释原初质子和电子的能谱硬化。
• 检验此类空间依赖的扩散模型是否能重现AMS02在10 GeV至数百GeV能量范围内观测到的平坦$\bar{p}/p$和$B/C$比值。
• 通过单一物理机制——双晕模型框架下的空间依赖扩散——为多个异常宇宙射线现象提供统一且非新奇的解释。

提出的方法

• 采用双晕模型（THM）将银河系传播体积划分为内晕（IH），其刚度依赖性较小，以及外晕（OH），其刚度依赖性为标准值。
• 在THM情景下，根据源分布推导空间依赖的扩散系数$D(r,z,\rho)$，其中$\xi$（内晕占比）和$\delta$（刚度依赖指数）为自由参数。
• 使用DRAGON软件包进行二维宇宙射线传播的数值模拟，包含核反应碎裂和能量损失过程，以计算能谱和次级/原初级比值。
• 基于AMS02数据，通过从总$e^+ + e^-$通量中减去正电子通量，计算原初电子能谱：$\Delta\phi = \Phi_{e^-} - \Phi_{e^+}$。
• 将模型对$\bar{p}/p$和$B/C$的预测与高精度的AMS02、PAMELA及其他实验数据在0.1–1000 GeV能量范围内进行比较。
• 通过考虑$\bar{p}$产生截面约25%的不确定性，并在误差范围内与数据对比，评估模型的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 银河系盘面中空间依赖的扩散系数是否能解释在数十GeV和约200 GV能量下原初质子和电子观测到的能谱硬化？
• RQ2 在内晕区域$D(r,z,\rho)$对刚度的依赖性降低，是否能自然导致$\bar{p}/p$和$B/C$比值相比传统传播模型更为平坦？
• RQ3 是否可通过双晕模型的一组参数，同时重现原初能谱的硬化和次级/原初级比值的平坦性，而无需引入新物理？
• RQ4 该模型在10 GeV至1000 GeV能量范围内，对$\bar{p}/p$和$B/C$的高精度AMS02数据拟合程度如何？
• RQ5 在$\bar{p}/p$的模型-数据比较中，$\bar{p}$产生截面的不确定性起何种作用？

主要发现

• 该模型仅用一组参数，即成功重现了原初质子和电子在数十GeV和约200 GV能量处的能谱硬化。
• 计算得到的$\bar{p}/p$比值从约10 GeV至数百GeV保持平坦，与AMS02数据在不确定度范围内高度一致，尤其在考虑约25%的$\bar{p}$产生截面不确定性后更为显著。
• 模型对$B/C$比值的重现效果良好，仅在约1 GeV处有轻微高估，但整体与AMS02观测一致。
• 次级/原初级比值的平坦性源于银河系盘面中$D(r,z,\rho)$对刚度依赖性减小，从而抑制了能量依赖性软化。
• 该模型预测原初电子能谱在数十GeV能量处出现拐折，与AMS02基于$\Delta\phi = \Phi_{e^-} - \Phi_{e^+}$的数据一致。
• 未来高统计量、TeV能量范围的观测有望对空间依赖扩散模型提供决定性检验，尤其针对$\bar{p}/p$和$B/C$。