[论文解读] The Sun at GeV--TeV Energies: A New Laboratory for Astroparticle Physics

M. U. Nisa, J. F. Beacom+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2019

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 44被引用 24

一句话总结

本文通过倡导对GeV–TeV伽马射线进行长期、多信使观测，提出将太阳作为天体粒子物理的新实验室，以解决太阳伽马射线辐射中未解释的硬谱超额问题。文章认为，持续的伽马射线、中微子和宇宙射线观测——尤其是来自下一代全空天区巡天仪器的观测——将有助于阐明太阳大气中的宇宙射线相互作用，并改进暗物质与宇宙射线传播模型。

ABSTRACT

The Sun is an excellent laboratory for astroparticle physics but remains poorly understood at GeV--TeV energies. Despite the immense relevance for both cosmic-ray propagation and dark matter searches, only in recent years has the Sun become a target for precision gamma-ray astronomy with the Fermi-LAT instrument. Among the most surprising results from the observations is a hard excess of GeV gamma-ray flux that strongly anti-correlates with solar activity, especially at the highest energies accessible to Fermi-LAT. Most of the observed properties of the gamma-ray emission cannot be explained by existing models of cosmic-ray interactions with the solar atmosphere. GeV--TeV gamma-ray observations of the Sun spanning an entire solar cycle would provide key insights into the origin of these gamma rays, and consequently improve our understanding of the Sun's environment as well as the foregrounds for new physics searches, such as dark matter. These can be complemented with new observations with neutrinos and cosmic rays. Together these observations make the Sun a new testing ground for particle physics in dynamic environments.

研究动机与目标

• 解决太阳在GeV–TeV能段出现的硬谱超额伽马射线这一未解之谜，该超额与宇宙射线相互作用理论模型相矛盾。
• 通过长期、高统计量的伽马射线观测，改进对太阳动态环境中宇宙射线传播及磁场效应的理解。
• 通过结合伽马射线、中微子和宇宙射线数据，提升对太阳中暗物质湮灭与散射的探测灵敏度。
• 识别当前能量覆盖范围与灵敏度中的关键空白，特别是在300–800 GeV能段，并倡导建设新天文台。
• 将太阳确立为下一代多信使天体物理学的关键目标，特别是通过南半球的全空天区巡天仪器。

提出的方法

• 利用长期Fermi-LAT数据（9年）分析太阳圆面在GeV–TeV能段的稳定、明亮伽马射线辐射，重点关注能量依赖性与太阳活动周期依赖性。
• 将观测到的伽马射线通量与宇宙射线相互作用的理论模型进行比较，包括强子级联过程与逆康普顿散射，以识别差异。
• 利用HAWC和ARGO-YBJ的约束条件，评估在1–100 TeV与300 GeV+能量范围内的灵敏度缺口。
• 提出部署下一代全空天区巡天仪器——特别是南半球的水契伦科夫探测器阵列——以实现对太阳的连续、高统计量监测。
• 整合伽马射线数据与中微子及宇宙射线观测，以改进太阳中带电粒子的方位与通量建模。
• 模拟太阳磁场对宇宙射线轨迹与偏转角的影响，以实现对次级粒子（如正电子与中子）的方位搜索。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何太阳在GeV–TeV能段表现出与太阳活动强负相关的硬谱伽马射线超额，且在0.1–10 GeV能段的观测通量比理论预测高出约6倍？
• RQ2 当前伽马射线仪器（如Fermi-LAT、HAWC、ARGO-YBJ）在300 GeV–1 TeV能段能否分辨太阳辐射的能谱形状？
• RQ3 未来南半球全空天区巡天仪器如何提升太阳伽马射线观测的灵敏度与能量覆盖范围？
• RQ4 日冕与行星际磁场在调制宇宙射线通量及其向伽马射线转化过程中的作用是什么？
• RQ5 高统计量的太阳伽马射线测量如何增强对暗物质模型的约束，特别是具有长寿命媒介子或质子散射的模型？

主要发现

• 在0.1–10 GeV能段，太阳观测到的伽马射线通量比理论预测高出约6倍，表明宇宙射线相互作用模型中存在根本性理解缺失。
• 在100 GeV能段，太阳活动极小期测得的通量几乎达到宇宙射线诱导伽马射线产生的理论上限，意味着伽马射线生成效率接近100%，这在现有模型中前所未有。
• 当前仪器如HAWC和ARGO-YBJ在300–800 GeV能段缺乏足够灵敏度，无法排除Fermi-LAT谱在E⁻².⁷下的简单外推，留下关键观测空白。
• 太阳伽马射线发射的理论下限在TeV能段仍比当前HAWC的约束低三个数量级，凸显了巨大未探索的参数空间。
• 下一代仪器如LHAASO以及计划中的南半球水契伦科夫探测器阵列有望显著提升灵敏度，并有望首次实现对太阳伽马射线的TeV能段探测。
• 对太阳的伽马射线观测在约束暗物质-质子散射方面，可比直接探测实验高出数个数量级，使其成为未来十年最有力的探测手段。