[论文解读] UHECR bending, clustering and decaying feeding gamma anisotropy

Daniele Fargion, D. DʼArmiento+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2012

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 10被引用 3

一句话总结

该论文提出，由脆弱的、放射性重核如$^{56}$Ni和$^{60}$Co组成的超高能宇宙射线（UHECRs）可解释观测到的沿天蝎座A方向的UHECR聚集现象以及TeV伽马射线各向异性。这些核素在星系磁场作用下发生偏转，并在飞行中通过β衰变产生能量增强的PeV电子和同步辐射形式的TeV伽马射线，与观测到的UHECR多重事件及中微子信号相关联，为UHECR各向异性和次级粒子辐射提供统一解释。

ABSTRACT

Ultra High Cosmic Rays) made by He-like lightest nuclei might fit clustering along Cen A. Moreover He like UHECR nuclei explain Virgo absence because the light nuclei fragility and opacity above a few Mpc. We foresaw (2009) that UHECR He from Cen-A AGN being fragile should partially fragment into secondaries at tens EeV multiplet (D,He^{3},p) as the recent twin multiplet discovered ones (AUGER-ICRC-2011), at 20 EeV along Cen A UHECR clustering. We suggest that UHECR are also heavy radioactive galactic nuclei as Ni^{56}, Ni^{57} and Co^{57} widely bent (tens degree up to 100 degrees) by galactic fields. UHECR radioactivity and decay in flight at hundreds keV is boosted (by huge Lorentz factor (billion) leading to PeVs electrons and consequent synchrotron TeVs gamma offering UHECR-TeV correlated sky anisotropy. Electron and tau neutrinos secondaries at PeVs maybe the first signature of such expected radioactive secondary tail.

研究动机与目标

• 通过提出超越标准质子主导模型的新起源机制，解决长期存在的UHECR各向异性和源识别难题。
• 解释为何UHECR事件在天蝎座A方向聚集，而来自室女座方向的事件缺失，归因于轻核（如氦）在星际距离上的脆弱性。
• 通过重核的飞行中放射性衰变，将UHECRs与次级辐射（PeV电子、TeV伽马射线和高能中微子）联系起来。
• 将UHECR图与伽马射线、射电和中微子各向异性数据相关联，提出银河系及河外重核源为共同起源。

提出的方法

• 利用$^{56}$Ni和$^{60}$Co的洛伦兹因子$\Gamma_{Ni} \sim 10^9 - 10^8$建模UHECR传播，使衰变产物进入可观测能量范围。
• 模拟星系磁场对UHECR轨迹的偏转（最大达$\geq 100^\circ$），解释方向弥散和源定位现象。
• 分析飞行中β衰变产生次级PeV电子，其发射TeV能量的同步辐射。
• 将UHECR事件图（AUGER、TA）与多波段天图（射电408 MHz、Comptel MeV伽马射线、TeV伽马射线各向异性）相关联，识别空间重合。
• 将观测到的UHECR多重事件（如20 EeV双事件）作为He-like UHECRs在飞行中碎裂为次级粒子（D、$^3$He、p）的证据。
• 评估银河系源（船夫座、猎户座-蟹状星云、福尔曼克斯/雕塑座矮星系）作为UHECR产生种子的可能性，尤其通过放射性衰变机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何尽管室女座方向距离相近，却缺乏来自该区域的UHECR事件？这一现象如何通过核素组成解释？
• RQ2 飞行中放射性重核（如$^{56}$Ni和$^{60}$Co）的衰变是否可解释观测到的TeV伽马射线各向异性和UHECR聚集？
• RQ3 与天蝎座A对齐的20 EeV双UHECR多重事件的起源是什么？其与核素碎裂有何关联？
• RQ4 银河系磁场如何影响UHECR的到达方向？是否可解释观测到的偏转与聚集？
• RQ5 观测到的PeV中微子事件（如ICECUBE 2012年5月）是否可作为UHECR β衰变产生的次级产物（$\nu_e$和$\nu_\tau$）？

主要发现

• 来自室女座方向的UHECR事件缺失，是由于He-like UHECR核素在20 Mpc距离上发生碎裂，其脆弱性导致无法抵达地球。
• AUGER和TA观测到的20 EeV双UHECR多重事件，与来自天蝎座A的He-like UHECRs在飞行中碎裂为次级粒子（D、$^3$He、p）的模型一致。
• 具有洛伦兹因子$\Gamma \sim 10^9 - 10^8$的放射性UHECR核素（如$^{56}$Ni和$^{60}$Co）通过β衰变产生PeV电子，进而产生可探测的同步辐射TeV伽马射线。
• TeV伽马射线各向异性图与沿天蝎座A、船夫座和福尔曼克斯方向的UHECR聚集相关，表明其共同起源于衰变的重核。
• 观测到的PeV中微子事件（2012年5月，ICECUBE）可能是UHECR β衰变产生的$\nu_e$和$\nu_\tau$的信号，提供可检验的预测。
• UHECR图、408 MHz射电发射和MeV伽马射线各向异性之间的相关性支持双重起源：银河系源（船夫座、猎户座-蟹状星云）和河外源（天蝎座A）的UHECR产生机制。