[论文解读] Ultrahigh energy cosmic rays and high energy astrophysical neutrinos

Marco Stein Muzio, Glennys R. Farrar+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 4

一句话总结

该论文研究了超高能宇宙射线（UHECRs）与高能天体中微子的联合约束，表明光子主导的源环境比气体主导的环境更能解释UHECR数据，而气体主导的源则与当前的中微子限制存在冲突。对PeV能量范围中微子的精确测量可能验证扩散性激波加速机制，并区分源环境。

ABSTRACT

We explore the joint implications of ultrahigh energy cosmic ray (UHECR) source environments -- constrained by the spectrum and composition of UHECRs -- and the observed high energy astrophysical neutrino spectrum. Acceleration mechanisms producing power-law CR spectra $\propto E^{-2}$ are compatible with UHECR data, if CRs at high rigidities are in the quasi-ballistic diffusion regime as they escape their source environment. Both gas- and photon-dominated source environments are able to account for UHECR observations, however photon-dominated sources do so with a higher degree of accuracy. However, gas-dominated sources are in tension with current neutrino constraints. Accurate measurement of the neutrino flux at $\sim 10$ PeV will provide crucial information on the viability of gas-dominated sources, as well as whether diffusive shock acceleration is consistent with UHECR observations. We also show that UHECR sources are able to give a good fit to the high energy portion of the astrophysical neutrino spectrum, above $\sim$ PeV. This common origin of UHECRs and high energy astrophysical neutrinos is natural if air shower data is interpreted with the extsc{Sibyll2.3c} hadronic interaction model, which gives the best-fit to UHECRs and astrophysical neutrinos in the same part of parameter space, but not for EPOS-LHC.

研究动机与目标

• 确定气体主导与光子主导的源环境在解释超高能宇宙射线（UHECR）观测方面的可行性。
• 评估UHECR加速机制与观测到的高能天体中微子能谱的一致性。
• 评估扩散性激波加速是否能同时解释UHECR能谱与中微子通量。
• 评估在共同参数空间中，哪种强子相互作用模型——Sibyll2.3c或EPOS-LHC——最能调和UHECR与中微子数据。
• 确定未来PeV能量范围中微子测量在约束UHECR源物理中的作用。

提出的方法

• 在源环境中对UHECR加速进行建模，假设其能谱为∝ E⁻²，且在高刚性下经历准弹道扩散。
• 使用Sibyll2.3c和EPOS-LHC强子相互作用模型模拟空气簇射发展，并将预测结果与UHECR数据进行比较。
• 应用观测到的UHECR能谱与成分约束，评估源环境的兼容性。
• 将UHECR源预测的中微子通量与~1 PeV以上的观测高能天体中微子能谱进行比较。
• 评估气体主导源模型与IceCube及其他实验当前中微子通量限制之间的张力。
• 评估扩散性激波加速在不同源环境中与UHECR和中微子数据一致性的程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 气体主导的源环境能否同时解释UHECR数据与当前的高能中微子约束？
• RQ2 光子主导的源环境是否比气体主导的环境更符合UHECR观测？
• RQ3 扩散性激波加速是否与UHECR能谱及1 PeV以上观测到的天体中微子通量一致？
• RQ4 在相同参数空间中，Sibyll2.3c或EPOS-LHC哪个强子相互作用模型最能调和UHECR与高能中微子数据？
• RQ5 未来PeV能量范围的中微子测量将如何帮助区分气体主导与光子主导的UHECR源环境？

主要发现

• 当宇宙射线在高刚性下经历准弹道扩散时，能谱∝ E⁻²的幂律谱与UHECR数据相容。
• 光子主导的源环境比气体主导的环境更符合UHECR观测。
• 气体主导的源与当前高能中微子约束存在张力，表明其可能不被青睐。
• 对约10 PeV能量处中微子通量的精确测量可能解决气体主导源的可行性问题，并检验扩散性激波加速的一致性。
• UHECR源可同时解释1 PeV以上高能部分的天体中微子能谱。
• Sibyll2.3c强子相互作用模型在相同参数空间中对UHECR与高能中微子数据的拟合效果最佳，而EPOS-LHC则不然。