Nadbytek elektronů a pozitronů v kosmickém záření Radomír Šmída Fyzikální ústav AV ČR, v. v. i.

Elektrony a pozitrony 2/37 Elektron e - záporný náboj klidová hmotnost: 511 keV interakce: el-mag., slabá a gravitační Pozitron e + antičástice zaniká anihilací

Elektrony a pozitrony Elektron e - záporný náboj klidová hmotnost: 511 keV interakce: el-mag., slabá a gravitační Pozitron e + antičástice zaniká anihilací [Cer] 3/37

Vysokoenergetické e -, e + [Aha] 4/37 Urychlování: pouze e - zbytky po výbuších supernov, pulzary Sekundární: produkty interakce kosmického záření jediný zdroj e + ?

Vysokoenergetické e -, e + [Phy] [Mos] 5/37 pp, p+He, α+H,... π , K   μ   e  Urychlování: pouze e - zbytky po výbuších supernov, pulzary Sekundární: produkty interakce kosmického záření jediný zdroj e + ?

Energetické ztráty během šíření v mezihvězdném prostředí brzdné záření synchrotronové záření inverzní Comptonův (IC) rozptyl 500 pc [Zat] 6/37

Energetické ztráty během šíření v mezihvězdném prostředí brzdné záření synchrotronové záření inverzní Comptonův (IC) rozptyl 7/37

Energetické ztráty během šíření v mezihvězdném prostředí brzdné záření synchrotronové záření inverzní Comptonův (IC) rozptyl 8/37

Energetické ztráty během šíření v mezihvězdném prostředí brzdné záření synchrotronové záření inverzní Comptonův (IC) rozptyl 9/37

Radiační doba života energetické ztráty: IC + synch. záření radiační doba e -, e + difúzní pohyb max. vzdálenost zdrojů: 1 kpc jen blízké objekty v naší Galaxii v intervalu energií 1 GeV - 1 TeV 10/37

Radiační doba života 11/37 energetické ztráty: IC + synch. záření radiační doba e -, e + difúzní pohyb max. vzdálenost zdrojů: 1 kpc jen blízké objekty v naší Galaxii

Radiační doba života 12/37 energetické ztráty: IC + synch. záření radiační doba e -, e + difúzní pohyb max. vzdálenost zdrojů: 1 kpc jen blízké objekty v naší Galaxii

Radiační doba života [Kob ] 13/37 energetické ztráty: IC + synch. záření radiační doba e -, e + difúzní pohyb max. vzdálenost zdrojů: 1 kpc jen blízké objekty v naší Galaxii

Radiační doba života 14/37 energetické ztráty: IC + synch. záření radiační doba e -, e + difúzní pohyb max. vzdálenost zdrojů: 1 kpc jen blízké objekty v naší Galaxii

Energetické spektrum Moskalenko & Strong: model šíření částic v Galaxii GALPROP [Gal] hladký pokles toku e -, e + nad ~ 10 GeV tvar spektra: nízké vysoké energie střední 15/37

Energetické spektrum EB: extragalactic background 16/37 Moskalenko & Strong: model šíření částic v Galaxii GALPROP [Gal] hladký pokles toku e -, e + nad ~ 10 GeV tvar spektra: nízké vysoké energie střední

Energetické spektrum R(E) > h nejvýznamější jsou úniky částic z Galaxie (malé radiační ztráty) dN/dE  D -1 E -α spektrum stejné jako ve zdroji pro D ≠fce(E) h d 17/37 Moskalenko & Strong: model šíření částic v Galaxii GALPROP [Gal] hladký pokles toku e -, e + nad ~ 10 GeV tvar spektra: nízké vysoké energie střední

Energetické spektrum R(E) < d převažují radiační ztráty nad úniky částic z Galaxie dN/dE  E -(α+1) prudký pokles je-li R < vzdálenost zdrojů h d 18/37 Moskalenko & Strong: model šíření částic v Galaxii GALPROP [Gal] hladký pokles toku e -, e + nad ~ 10 GeV tvar spektra: nízké vysoké energie střední

Energetické spektrum d < R(E) < h objem o rozměru R(E) dN/dE  D -0.5 E -(α+0.5) pokud D(E) obdobný spektr. index jako pro vysoké energie h d [Mul] 19/37 Moskalenko & Strong: model šíření částic v Galaxii GALPROP [Gal] hladký pokles toku e -, e + nad ~ 10 GeV tvar spektra: nízké vysoké energie střední

20/37

Pozorování [Gri] 21/37 primární částice: 1 GeV < E < 1 TeV stratosférické balóny (atmosférické e -, e + ) satelity zastoupení izotopů pozitrony / elektrony antihmota (anti He)

Pozorování určení koeficientu difúze D  E δ 22/37 primární částice: 1 GeV < E < 1 TeV stratosférické balóny (atmosférické e -, e + ) satelity zastoupení izotopů pozitrony / elektrony antihmota (anti He)

Pozorování [Pam] 23/37 primární částice: 1 GeV < E < 1 TeV stratosférické balóny (atmosférické e -, e + ) satelity zastoupení izotopů pozitrony / elektrony antihmota (anti He)

Pozorování [Pam] 24/37 primární částice: 1 GeV < E < 1 TeV stratosférické balóny (atmosférické e -, e + ) satelity zastoupení izotopů pozitrony / elektrony antihmota (anti He)

ATIC: elektrony Advanced Thin Ionization Calorimeter spektrum elektronů blízké pulzary anihilace částic temné hmoty: SUSY extra-dimenze 4 balónové lety nad Antarktidou (~48 dní měření) 25/37

ATIC: elektrony GeV: ATIC: 210 GALPROP: 140 [Cha] 26/37 Advanced Thin Ionization Calorimeter spektrum elektronů blízké pulzary anihilace částic temné hmoty: SUSY extra-dimenze

ATIC: elektrony HESS [Ah2] výsledky H.E.S.S.u 27/37 Advanced Thin Ionization Calorimeter spektrum elektronů blízké pulzary anihilace částic temné hmoty: SUSY extra-dimenze

ATIC: elektrony zdroj musí mít úzké spektrum [Cha] 28/37 Advanced Thin Ionization Calorimeter spektrum elektronů blízké pulzary anihilace částic temné hmoty: SUSY extra-dimenze

ATIC: elektrony anihilace 620 GeV Kaluza-Klein č. neutralina produkují široké spektrum e - [Cha] 29/37 Advanced Thin Ionization Calorimeter spektrum elektronů blízké pulzary anihilace částic temné hmoty: SUSY extra-dimenze

PAMELA start Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics spektrometr (0.43 T) rigidita = hybnost/m náboj Si-W kalorimetr 16 radiačních délek 0.6 jaderných interakčních délek 30/ dní měření GeV 9430 e + [Adr]

PAMELA [Pam] FOV 19 o x 19 o 21.5 cm 2 sr 31/37 Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics spektrometr (0.43 T) rigidita = hybnost/m náboj Si-W kalorimetr 16 radiačních délek 0.6 jaderných interakčních délek

PAMELA Identifikace e - / e + poměr zastoupení částic při 10 GV: e + 1, p e - 10, p podélný i příčný profil spršek ověřování (CERN) chyba < % účinnost [Adr] 32/37 Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics spektrometr (0.43 T) rigidita = hybnost/m náboj Si-W kalorimetr 16 radiačních délek 0.6 jaderných interakčních délek

Křivky PAMELY pouze sekundarní e + modelová předpověď pro pozitrony pozorování PAMELY energie < 5 GeV: sluneční cyklus nad 10 GeV: nadbytek e + rostoucí s energií 33/37

Křivky PAMELY 34/37 modelová předpověď pro pozitrony pozorování PAMELY energie < 5 GeV: sluneční cyklus nad 10 GeV: nadbytek e + rostoucí s energií

Křivky PAMELY 35/37 [Adr] polarita slunečního magnetického pole modelová předpověď pro pozitrony pozorování PAMELY energie < 5 GeV: sluneční cyklus nad 10 GeV: nadbytek e + rostoucí s energií

Křivky PAMELY chyba modelu kreace u pulzarů anihilace částic temné hmoty 36/37 [Adr] modelová předpověď pro pozitrony pozorování PAMELY energie < 5 GeV: sluneční cyklus nad 10 GeV: nadbytek e + rostoucí s energií

Závěr rtg. a gama záření antiprotony reliktní záření nepřímá pozorování temné hmoty [Hoo] 37/37

Literatura [Adr] Adriani, O. et al.: arXiv: (2008) [Aha] Aharonian, F. A. et al.: Nature 432 (2004) [Ah2] Aharonian, F. A. et al.: arXiv: (2008) [Ati] [Cer] [Cha] Chang, J. et: Nature 456 (2008) [Gal] [Gri] Grimani, C. et al.: A&A 392 (2002) [Hoo] Hooper, D.: arXiv: (2007) [Kob] Kobayashi, T. et al.: ApJ 601 (2004) [Mos] Moskalenko, I.V. & Strong, A.W.: ApJ 509 (1998) [Mul] Muller, D.: Adv. Space Res. 27 (2001) [Pam] [Phy] [Zat]