[论文解读] The importance of Fe fragmentation for LiBeB analyses: Is a Li primary source needed to explain AMS-02 data?

D. Maurin, E. Ferronato Bueno+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2022

Radiation Therapy and Dosimetry被引用 1

一句话总结

本文利用AMS-02数据更新的截面参数化，重新评估了铁（Fe）碎裂在银河系宇宙射线中锂、铍和硼（LiBeB）同位素产生中的作用。研究发现，Fe碎裂对锂和铍通量的贡献最高可达10%，显著提升了对AMS-02锂/碳、铍/碳和硼/碳比值的拟合效果，且无需引入原生锂源；同时扩散系数提升约20%，并在多种截面集合间表现出更好的一致性。

ABSTRACT

High-precision data from AMS-02 on Li, Be, and B provide the best constraints on Galactic cosmic-ray transport parameters. We re-evaluate the impact of Fe fragmentation on the Li, Be, and B modelling. We discuss the consequences on the transport parameter determination and reassess whether a primary source of Li is needed to match AMS-02 data. We renormalised several cross-section parametrisations to existing data for the most important reactions producing Li, Be, and B. We used the USINE code with these new cross-section sets to re-analyse Li/C, Be/C, and B/C AMS-02 data. We built three equally plausible cross-section sets. Compared to the initial cross-section sets, they lead to an average enhanced production of Li ($\sim20-50\%$) and Be ($\sim5-15\%$), while leaving the B flux mostly unchanged. In particular, Fe fragmentation is found to contribute to up to 10\% of the Li and Be fluxes. Used in the combined analysis of AMS-02 Li/C, Be/C, and B/C data, the fit is significantly improved, with an enhanced diffusion coefficient ($\sim 20\%)$. The three updated cross-section sets are found to either slightly undershoot or overshoot the Li/C and B/C ratios: this strongly disfavours evidence for a primary source of Li in cosmic rays. We stress that isotopic cosmic-ray ratios of Li (and to a lesser extent Be), soon to be released by AMS-02, are also impacted by the use of these updated sets. Almost no nuclear data exist for the production of Li and B isotopes from Ne, Mg, Si, and Fe, whereas these reactions are estimated to account for $\sim 20\%$ of the total production. New nuclear measurements would be appreciated and help to better exploit the high-precision AMS-02 cosmic-ray data.

研究动机与目标

• 重新评估铁碎裂对LiBeB宇宙射线产生模型的影响。
• 评估是否需要引入原生锂源以解释AMS-02数据。
• 改进由铁及重核素生成锂、铍和硼的截面参数化。
• 测试在更新核反应不确定性下，输运参数确定的鲁棒性。
• 评估对AMS-02未来同位素比值测量的启示。

提出的方法

• 基于现有实验数据，对锂、铍和硼生成的多种截面参数化进行重新标定。
• 使用usine代码，结合更新的截面集合，重新分析AMS-02的锂/碳、铍/碳和硼/碳数据。
• 通过惩罚性变化方法传播不确定性，允许关键反应在物理允许范围内变化。
• 比较三种更新的截面集合：OPT12、OPT12up22（具有改进的能量依赖性）和OPT22。
• 在三种传播配置（SLIM、QUAINT和BIG）下拟合输运参数（扩散、对流、再加速）。
• 利用近期AMS-02在50 GV处的铁、氖、钠、镁、铝、硅和铁的元素通量数据，对原生源丰度进行归一化。

实验结果

研究问题

• RQ1 铁碎裂在宇宙射线中锂和铍生成中的贡献程度如何？
• RQ2 是否能在不引入原生锂源的情况下，实现对AMS-02锂/碳、铍/碳和硼/碳数据的改进拟合？
• RQ3 更新的截面参数化（尤其是铁及重核素）如何影响推导出的输运参数？
• RQ4 使用最新的AMS-02元素通量数据（如铁、硅）对LiBeB比值预测有何影响？
• RQ5 更新的截面集合对扩散模型中低刚度拐点显著性的评估有何影响？

主要发现

• Fe碎裂对锂和铍通量的贡献最高可达10%，显著提升了二次生成的贡献，超过以往估计。
• 更新的截面集合使锂生成量提高20–50%，铍生成量提高5–15%，而硼通量基本保持不变。
• 对AMS-02锂/碳、铍/碳和硼/碳数据的联合拟合显著改善，最佳拟合扩散系数提高约20%。
• 三种更新的截面集合要么轻微低估或高估锂/碳和硼/碳比值，强烈表明无需引入原生锂源。
• 在QUAINT和BIG配置中，K0（扩散归一化参数）对截面集合选择变得不敏感，而对流和再加速参数则相应调整。
• 锂的同位素比值，以及在较小程度上铍的同位素比值，将受到更新截面集合的影响，凸显了未来AMS-02同位素测量的必要性。