| 초록 |
고에너지 TeV 우주선을 관측한 PAMELA 와 CREAM 실험 결과 중 특히 2011년 사이언스 저널에 발표된 새로운 우주 핵자들의 스펙트럼들은 지금까지 알려진 표준 우주선 스펙트럼 이론 예측 값과 다른 아주 특이한 현상을 보이고 있다. 이에 대한 이론적 이해는 지난 몇 년 간의 우주선 연구의 가장 중요한 연구 주제가 되었다. 양성자(P), 헬륨(He)을 포함한 대부분의 우주선 핵자들의 스펙트럼에 대한 관측 량이 에너지변화에 대하여 약 10^{6}GeV 까지 기울기가 -2.7 을 가지고 단조롭게 줄어드는 것이 지금까지 널리 알려진 천체 우주선 표준 모형의 이론이 예측한 결과이나, 최근 PAMELA CREAM 실험결과에 의하면 이 스펙트럼의 기울기가 핵자 당 에너지가 약 250 GeV/n 에서 깨어져 핵자들의 우주선속 관측량이 많아짐을 보였다. 즉 95% 신뢰도로 'Single Power Law'를 따르는 기존의 모든 이론 모델들을 거부하고 있다(2011, Science, 332, 69). 양성자의 경우는 spectral index(α+δ)의 기울기 값이 232±35 GeV/n 에서 2.85±0.015±0.004 로부터 2.67±0.03±0.05 로 변화하는 경직화 현상(hardening effect)이 일어났으며, 헬륨의 경우는 기울기 값이 243±30 GeV/n 전후로 2.766±0.010±0.027 에서 2.477±0.060±0.030 으로 변화하는 경직화 현상이 일어나면서 Single Power Law 가 깨어지는 현상이 관측되었다. 이 특이현상이 발견된 2011년 이후 많은 이론적 모델이 제시되고 있으나, 이를 설명하기 위해서는 또 다른 가정이나 새로운 parameter를 가정하여야 실험결과를 설명할 수 있었다. 우리는 지금까지 알려진 우주선의 가속메카니즘이나 발산 계수의 변경 보다는 Local Source의 중요성에 관점을 두고 연구를 하였으며 실험결과를 잘 설명하는 흥미있는 결과들을 얻었다. 완전히 새로운 이론적 관점은, 우주선 전달에 대한 지금까지의 일반적인 우주선속 분석에서는 우주선을 방출하는 초신성이나 펄사 같은 근원들이 젤리같이 연속적으로 은하판 위에 분포 하면서, 계속 우주선을 가속시킨다는 가정을 이용하여 이론적 우주선 분석 모형을 만들었다. 이 같은 방법으로는 양성자나 헬륨핵자의 특이 스펙트럼 현상을 설명할 수가 없다. 그러나 실제우주에서는 우주선의 근원들이 연속적이 아닌 불연속적으로 분포되고 있으며, 지구로부터 2 kpc 반경안에 있고 나이가 3 만년 이내인 초신성 잔재나 펄사들을 Local Source로 정의하고 있으며, 정밀관측에 의하여 잘 알려져 있다. 그들에 대한 자세한 정보는 Green Catalog(2009)에서 얻을 수 있다. 우리 연구에서는 우주선 근원이 연속적인 경우에 적용되는 Bessel 함수 분석법이 아닌 불연속인 경우에 적용되는 Green 함수 분석법을 적용하여 새로운 이론 방법을 개발하였으며, 우주선 분포에 대한 해석적 해(analytic solution)를 구하였다. 이를 이용하여 잘 알려진 우주선의 근원인 Local Source 효과를 충분히 고려하고, 실험결과에서 얻은 B/C의 비교 스펙트럼과 일치하는 우주선 전달 상수들을 이용, 지금까지 잘 알려져 있는 우주선의 가속 메카니즘과 발산전달 과정의 이론적 근거 속에서 양성자와 헬륨핵자 스펙트럼을 Semi-analytic 방법과 수치 해석적 방법을 통하여 상호 검증하며 분석하였다. 이를 통하여 고에너지 영역에서 Local Source(젊고, 에너지가 큰 초신성 잔해들)에서 나오는 우주선의 효과로 인하여 중성자와 헬륨핵자의 스펙트럼에 기울기가 깨어지는 현상을 다른 가정들 없이 잘 설명할 수 있게 되었으며, 통계적 방법을 이용하여 더욱 정밀하고 상세한 분석과 오차에 대한 연구를 수행하였다. (출처 : 연구결과 요약문 4p) |
