[论文解读] The GALPROP Cosmic-ray Propagation and Non-thermal Emissions Framework: Release v57

T. A. Porter, G. Jóhannesson+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 155被引用 77

一句话总结

本论文介绍了 GALPROP v57，这是宇宙射线传播与非热辐射框架的全面升级，实现了对银河系内宇宙射线及其辐射在18个量级能量范围内的自洽、时变3D建模。此次发布更新了核截面数据，增强了星际介质建模能力，并新增了对空间与地面观测台站多波段数据（特别是极高能，VHE；>100 GeV）的高精度解释能力。

ABSTRACT

The past decade has brought impressive advances in the astrophysics of cosmic rays (CRs) and multiwavelength astronomy, thanks to the new instrumentation launched into space and built on the ground. Modern technologies employed by those instruments provide measurements with unmatched precision, enabling searches for subtle signatures of dark matter (DM) and new physics. Understanding the astrophysical backgrounds to better precision than the observed data is vital in moving to this new territory. The state-of-the-art CR propagation code called GALPROP is designed to address exactly this challenge. Having 25 years of development behind it, the GALPROP framework has become a de-facto standard in the astrophysics of CRs, diffuse photon emissions (radio- to gamma-rays), and searches for new physics. GALPROP uses information from astronomy, particle physics, and nuclear physics to predict CRs and their associated emissions self-consistently, providing a unifying modelling framework. The range of its physical validity covers 18 orders of magnitude in energy, from sub-keV to PeV energies for particles and from micro-eV to PeV energies for photons. The framework and the datasets are public and are extensively used by many experimental collaborations and by thousands of individual researchers worldwide for interpretation of their data and for making predictions. This paper details the latest release of the GALPROP framework and updated cross sections, further developments of its initially auxiliary datasets for models of the interstellar medium that grew into independent studies of the Galactic structure -- distributions of gas, dust, radiation and magnetic fields -- as well as the extension of its modelling capabilities. Example applications included with the distribution illustrating usage of the new features are also described.

研究动机与目标

• 实现对银河系内宇宙射线传播与非热辐射的自洽、时变3D建模。
• 通过整合更新的核截面数据与天体物理数据集，提升宇宙射线传播模型的精度。
• 支持对现代空间与地面观测台站（包括CALET、DAMPE、HAWC与LHASSO）高精度数据的解释。
• 提供一个公开、可扩展的框架，用于在18个量级能量范围内建模宇宙射线、弥漫辐射以及新物理的搜寻。
• 将GALPROP框架拓展为涵盖气体、尘埃、辐射场与磁场结构的星际介质结构综合建模工具。

提出的方法

• GALPROP代码求解约90个包含时间依赖性的3D或4D（空间+能量变量）输运方程，涵盖喷流、扩散、能量损失与核素碎裂过程。
• 采用灵活的源模型组成方案，可自定义多个宇宙射线源族群（如超新星遗迹、脉泽风云）的空间分布、注入谱与同位素丰度。
• 框架整合了关键反应的更新核截面数据，包括3He(p,ppX)d与pp→π++d，基于细致平衡原理与实验数据的拟合。
• 自洽地建模星际辐射场（ISRF）、磁场与气体/尘埃分布，现将数据集视为独立的天体物理研究。
• 支持依赖位置与刚性的可变扩散系数，提供柯尔莫哥洛夫或伊罗什尼科夫–克拉伊奇南湍流谱选项。
• 通过基于网络的界面（WEBRUN）实现远程执行，完整框架与数据集均公开可用。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在从亚keV到PeV的18个量级能量范围内，对宇宙射线传播与非热辐射实现自洽建模？
• RQ2 为准确模拟宇宙射线相互作用中的次级粒子产生，核截面需要哪些改进？
• RQ3 如何使现代高能数据的时变3D宇宙射线传播建模在计算上可行？
• RQ4 空间变化的扩散系数与磁场分布对塑造宇宙射线与辐射分布轮廓起到何种作用？
• RQ5 如何将GALPROP框架扩展至建模星际介质结构（包括气体、尘埃、辐射与磁场），超越其原始设计范围？

主要发现

• GALPROP v57实现了宇宙射线传播与相关非热辐射的时变3D建模，对解释CALET、DAMPE、HAWC与LHASSO等新VHE数据至关重要。
• 框架现已包含关键反应（如3He(p,ppX)d与pp→π++d）的更新截面，基于288–4000 MeV质子动能范围内的实验数据进行经验拟合。
• pp→π++d反应的截面在970 MeV以上呈现幂律尾部，参数为δ = 2.9，归一化系数q = 0.4675，与高能数据吻合。
• 基于细致平衡与CMS运动学，验证了pp碰撞中氘核生成的理论形式，最大截面出现在Tp ≈ 560 MeV处。
• p+A与α+A反应中3He、3H与2H的生成截面通过A依赖因子与能量相关函数进行缩放，F(Ek,A)综合考虑了能量与质量依赖性。
• 星际介质数据集（气体、尘埃、辐射与磁场）已发展为独立的天体物理研究，显著提升了框架的物理解释力与预测能力。