[论文解读] Understanding the cosmic ray positron flux

P. Lipari|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2019

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本文利用AMS-02数据研究宇宙射线正电子通量的起源，提出在约25 GeV附近观测到的能谱硬化以及在约300 GeV以上观测到的软化，可能源于银河系内能量损失效应下的二次正电子产生，而非来自暗物质等新原初源。主要发现是正电子能谱的特征与传播效应一致，挑战了需要奇异源的解释。

ABSTRACT

Recent precision measurements of the flux of cosmic ray positrons by the Alpha Magnetic Spectrometer show that the spectrum has a marked softening feature for energies close to one TeV. A possible interpretation of this result is that the observed feature measures the maximum energy of a new hard source of positrons perhaps associated to dark matter self--annihilation or decay, or to positron accelerators. A gradual hardening of the positron flux centered at $E \simeq 25$~GeV can also be understood as the signature of the transition where the new source overtakes the conventional component due to secondary production. This interpretation is simple and attractive, but it is not unique. The alternative possibility, that the positron flux is entirely of secondary origin, remains viable. In such a scenario the spectral softening observed by AMS for positrons is generated by energy loss effects, and a feature of similar, but not identical structure should be also visible in the $e^-$ spectrum. Spectral features similar to both the hardening and softening of the positron flux are in fact observed for electrons and call for a consistent explanation. Precision measurements of the $e^+$ and $e^-$ spectra in the TeV and multi--TeV energy range are crucial to clarify the problem.

研究动机与目标

• 确定宇宙射线正电子通量中观测到的能谱特征——特别是约25 GeV附近的硬化以及约300 GeV以上的软化——是否可由二次产生机制解释。
• 评估正电子能谱中观测到的特征是否与传播效应（如能量损失）一致，而非需要新的原初源（如暗物质或天体加速器）。
• 将正电子能谱与电子和反质子能谱进行比较，以检验单一传播模型在轻子与强子种类间的一致性。
• 评估高能区正电子能谱的抑制是否唯一指示源最大能量（如来自暗物质），还是可能源于传播物理效应。
• 澄清正电子能谱中观测到的特征是否与电子能谱中的特征不同，或是否可由银河系内相同的物理过程产生。

提出的方法

• 使用包含指数截断的双组分幂律模型（公式1）拟合AMS-02正电子通量数据，通过力场近似（公式2）引入太阳调制效应。
• 对先前AMS和PAMELA数据中的电子谱应用相同的函数形式，以实现能谱特征的交叉比较。
• 利用先前研究中的模型（Lipari:2018usj）分析能量损失效应对银河系中轻子谱的影响，预测能谱转折与软化。
• 比较正电子与电子谱中特征的能量依赖性与形状，重点关注硬化与软化是否在结构上相似。
• 通过建模能量损失如何影响观测谱，特别是约25 GeV附近的过渡区，评估正电子二次起源的一致性。
• 评估在约800 GeV处观测到的正电子谱抑制是否唯一指示源截断，或是否可能被传播效应所模拟，尤其考虑到电子谱中并无相同抑制现象。

实验结果

研究问题

• RQ1 约25 GeV附近的正电子谱硬化是否可由二次产生主导向原初产生主导的过渡解释，而非新源的存在？
• RQ2 约800 GeV处正电子谱的高能软化是否最好解释为源最大能量的截断，还是传播过程中的能量损失所致？
• RQ3 正电子与电子谱中的能谱特征是否源于相同的物理过程，还是需要不同的源模型？
• RQ4 观测到的正电子谱是否可完全由二次产生与传播效应解释，而无需引入暗物质或正电子加速器等奇异源？
• RQ5 正电子与电子谱中特征形状与位置的差异是否与单一传播模型一致，还是表明存在不同的源群体？

主要发现

• 约25 GeV附近的正电子通量能谱硬化与从低能区以二次产生为主导的区域向高能区中更硬组分（可能来自新源）占主导的过渡一致。
• 正电子谱中高能软化，最佳拟合截断能量为 $ E_s = 810^{+310}_{-180} $ GeV，该现象并非唯一指示源最大能量，也可能源于传播过程中的能量损失效应。
• 正电子谱中观测到的能谱特征与电子谱中的特征定性相似，表明两者可能由相同的传播物理机制（尤其是能量损失效应）产生。
• 正电子谱的抑制更宽且中心位置低于电子谱中的相应抑制，这挑战了仅由源截断导致正电子软化的观点。
• 一种以正电子主要为二次起源、其能谱特征由传播效应塑造的模型在当前数据下仍具可行性，且无法被排除。
• 电子与正电子谱之间特征差异（尤其是转折点的宽度与位置）引入了理论不确定性，但并未能最终排除正电子的二次起源。