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JAXA Sep., 2010 p.1/36

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全文

(1)

磁場と光子場の中で発達する

電磁カスケード

岡山商科大

中塚隆郎

(2)

Contents

¯

宇宙カスケードの特色

¯

詳しい断面積と宇宙カスケードの数値積分解

¯

簡略化断面積と光子ガス中のカスケードの解析解

¯

簡略化断面積と磁場中のカスケードの解析解

¯

磁場中のカスケードが見えるか?

¯

シャワーの解析解による開発プログラムの点検

¯

結論と議論

Sep., 2010 – p.2/36

(3)

Comparison of the cross-sections

radiation

pair

    

in matter

    

in photon gas

      

in magnetic field

            

where

   

and

                                                

(4)

光子ガスでの断面積の中の同次関数

Homogenious functions,

 

and

  

, of the

cross-section for Inverse Compton (left) and photon-photon pair

production (right) are indicated below:

0.1

1

10

100

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

φ(

κ

,v

)

v

=

ε

γ /

ε

e

κ=0.1

κ=0.2

κ=0.5

κ=1.0

κ=2.0

κ=5.0

κ=10

κ=20

κ=50

κ=100

Figure 1:

    

.1, .2, .5,



, 100, from left to

right.

0.1

1

10

100

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

ψ

,u

)

u

=

ε

e

/

ε

γ

λ=1.5

λ=3

λ=5

λ=10

λ=30

λ=100

Figure 2:

   

.1,

.2, .5,



, 100, from bottom to

top.

Sep., 2010 – p.4/36

(5)

磁場での断面積の中の同次関数

Homogenious functions,

 

and

  

, of the

cross-section for photon radiation (left) and pair production

(right) under the magnetic fields are indicated below:

0

2

4

6

8

10

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

ϕ(

v)

v

phi(x)

Figure

3:

            

.

0

2

4

6

8

10

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

ϕ(

v)

v

psi(x)

Figure

4:

             

.

(6)

数値積分法で得たカスケードの遷移曲線

0.1

1

10

100

1000

10000

100000

1e+006

1e+007

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Number of electrons

cascade length (

t

)

cascades in matter

Our

E

0

/E

= 10^2

Our

E

0

/E

= 10^4

Our

E

0

/E

= 10^6

Our

E

0

/E

= 10^8

CasA

E

0

/E

= 10^2

CasA

E

0

/E

= 10^4

CasA

E

0

/E

= 10^6

CasA

E

0

/E

= 10^8

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

10

100

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Number of electrons

cascade length (

t

)

cascades in photon field

Our

E

0

/E

= 10^1

Our

E

0

/E

= 10^2

Our

E

0

/E

= 10^3

Our

E

0

/E

= 10^4

AP’s

E

0

/E

= 10^1

AP’s

E

0

/E

= 10^3

AP’s

E

0

/E

= 10^4

0.1

1

10

100

1000

10000

100000

0

1

2

3

4

5

6

7

8

Number of electrons

cascade length (

t

)

cascades in magnetic field

Our

E

0

/E

= 10^2

Our

E

0

/E

= 10^4

Our

E

0

/E

= 10^6

Our

E

0

/E

= 10^8

AP’s

E

0

/E

= 10^2

AP’s

E

0

/E

= 10^4

AP’s

E

0

/E

= 10^6

AP’s

E

0

/E

= 10^8

Figure 5:

Transition curves of shower electron developing in matter (left),

photon fields (middle), and magnetic fields (right). Our results in matter (lines)

are compared with the analytical results in Nishimura, and our results in

pho-ton fields with

 



and in magnetic fields with cascade length defined

by

       ¾ ¿    ¼  ½

¿

(lines) are compared with those indicated in

Aharonian and Plyasheshnikov (dots).

(7)

Cascades in photon gas

Diffusion equation

            ¼     ¼   ¼   ¼  ¼  ¼      ¼    ¼   ¼   ¼  ¼  ¼         ¼    ¼   ¼   ¼  ¼  ¼      

for the differential energy spectra,

 

and

 

, with

           

where

 

,

 

, and



denote the energies of the shower electron,

shower photon, and background photon in units of

 

, and



(8)

Approximating the homogenious functions

0.1

1

10

100

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

φ(

κ

,v

)

v

=

ε

γ /

ε

e

κ=0.1

κ=0.2

κ=0.5

κ=1.0

κ=2.0

κ=5.0

κ=10

κ=20

κ=50

κ=100

1

Figure 6:

 

.

0.1

1

10

100

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

ψ

,u

)

u

=

ε

e

/

ε

γ

λ=1.5

λ=3

λ=5

λ=10

λ=30

λ=100

1

Figure 7:

  

.

Sep., 2010 – p.8/36

(9)

Applying Mellin transforms

          ½               

we have the differential-difference equations,

                     

with

               

and the differential spectra of shower particles become

            ½  ½             

(10)

We derive the approximated solution by dividing



with



equal stepsizes,

 

,

                                                  

with

  

and

  

. Then we have

                                    

where

                   

Sep., 2010 – p.10/36

(11)

Applying the inverse Mellin transforms, we have the approximated

differential electron spectrum

!

 

as

!              !" ½  ½       #

where

  



denotes the 1,2 element of

 



.







have poles at

 

-1, 0, k-2, so we have the differential energy

spectrum of electron,

!                   $       $        $      

using residues

$   

at



.



residuess

$                         

(12)

Exact solutions for the differential

spectra and the transition curves

At the limit of

 

, we have the exact solution for the differential electron

spectrum

!

.

The differential spectra and the integral spectra of electron components and

photon components for gamma-initiated shower so obtained are

!                     ¼   %  Æ                          ¼                                                                             

where

 

&

denotes the exponential integral function,

  & ½      #

Sep., 2010 – p.12/36

(13)

Differential spectra of electrons and

photons for cascades in photon gas

1e-005

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

1e-005

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

κ

×

π

(

κ

,t)

κ

/

κ

0

t=.

01

t=.

02

t=.

05

t=

0.1

t=

0.2

t=

0.5

t=

1.0

t=

2.0

t=

5.0

Figure 8:



-weighted

dif-ferential energy spectrum of

electrons for gamma-initiated

showers of energy



.

1e-005

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

1e-005

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

λ

×

γ

(

λ

,t)

λ

/

κ

0

t=.

01

t=.

02

t=.

05

t=

0.1

t=

0.2

t=

0.5

t=

1.0

t=

2.0

t=

5.0

Figure 9:

-weighted

differential energy spectrum

of photon for gamma-initiated

showers of energy



.

(14)

Transition curves of electrons and

pho-tons for cascades in photon gas

0

1

2

3

4

5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

Π

0

,t)

radiation length (

t

)

Anal. κ

0

/

κ=10

1

Anal. κ

0

/

κ=10

2

Anal. κ

0

/

κ=10

3

Anal. κ

0

/

κ=10

4

Num. κ

0

/

κ=10

1

Num. κ

0

/

κ=10

2

Num. κ

0

/

κ=10

3

Num. κ

0

/

κ=10

4

Figure 10:

Transition

curves

of

electrons

with

  

10, 10



, 10



, 10

for

gamma-initiated

showers

of

energy



. Analytical results

(linrs)

are

compared

with

numerical results(dots).

0

1

2

3

4

5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

Γ(

κ

0

,t)

radiation length (

t

)

Anal. κ

0

/

κ=10

1

Anal. κ

0

/

κ=10

2

Anal. κ

0

/

κ=10

3

Anal. κ

0

/

κ=10

4

Num. κ

0

/

κ=10

1

Num. κ

0

/

κ=10

2

Num. κ

0

/

κ=10

3

Num. κ

0

/

κ=10

4

Figure 11:

Transition

curves of photons with

  

10, 10



, 10



, 10

for

gamma-initiated showers of energy



.

Analytical results (linrs) are

compared with numerical

re-sults(dots).

(15)

Cascades in magnetic field

Akhiezer equation

              ¼    ¼   ¼       ¼  ¼    ¼   ¼  ¼      ¼ ¼        ¼   ¼   ¼       ¼  ¼        

(16)

We approximate the homogenious functions as

     

0

2

4

6

8

10

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

φ(

v)

v

phi(x)

phic(x)

Figure 12:

  

.

0

2

4

6

8

10

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

ψ

(u

)

u

psi(x)

psic(x)

Figure 13:

   

.

Sep., 2010 – p.16/36

(17)

The differential-difference equations for cascades in the

magnetic fields are

                          

with

                     

(18)

Then we have the Mellin transform functions,

       ½                         

where

                       

Applying the inverse Mellin transforms, we have the differential electron

spectrum

!

for gamma-initiated shower as

!  ½       !" ½  ½         #

where

   



denotes the 1,2 element of



  

.

(19)

residues

  

in magnetic fields

   



have poles at

       

and

            

.



residues

$           '             '               '               '                 '               '                 '              '               '      

(20)

Exact solutions for the differential

spectra and the transition curves

The differential spectra and the integral spectra of electron components and

photon components for gamma-initiated shower so obtained are

!       (  (   (   (   (  (            (      (  (   (   (           (     (  (   (         (   (  (            (   (         (             (            (    )          (  )  )     

where we define

( '

and

) '  

(21)

 Æ             (  (   (   (   (  (             (      (  (   (   (            (     (  (   (          (   (  (             (   (          (             (            (    )          (  )  )     

(22)

     (  (   (   (   (  (           (      (  (   (   (           (     (  (   (           (   (  (            (   (         (        (   (   (   (   (       (  (  )  (    ()  )   (  )  ()   (  )       (   (  (    (    ) 

Sep., 2010 – p.22/36

(23)

          (  (   (   (   (  (             (      (  (   (   (          (     (  (   (            (   (  (            (   (          (        (   (   (   (   (       (  (  )  (    ()  )   (  )  ()   (  )       (   (  (    (    ) 

where

  (  ½       

(24)

Differential spectra of electrons and

photons for cascades in magnetic field

1e-006

1e-005

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

10

100

1e-0081e-0071e-0061e-0050.00010.001 0.01

0.1

1

E

×

π

(E,t

)

E/E

0

t=.

01

t=.

02

t=.

05

t=

0.1

t=

0.2

t=

0.5

t=

1.0

t=

2.0

t=

5.0

Figure 14:



-weighted

differential energy spectrum of

electrons for gamma-initiated

showers of energy



.

1e-006

1e-005

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

10

100

1e-0081e-0071e-0061e-0050.00010.001 0.01

0.1

1

W

×

γ

(W,t

)

W/E

0

t=.

01

t=.

02

t=.

05

t=

0.1

t=

0.2

t=

0.5

t=

1.0

t=

2.0

t=

5.0

Figure 15:

W-weighted

differential energy spectrum

of photon for gamma-initiated

showers of energy



.

(25)

Transition curves of electrons and

pho-tons for cascades in magnetic field

0.1

1

10

100

1000

10000

100000

0

1

2

3

4

5

6

7

8

Π

(E

0

/E,t

)

radiation length (

t

)

Anal.

E

0

/E=

10

2

Anal.

E

0

/E=

10

4

Anal.

E

0

/E=

10

6

Anal.

E

0

/E=

10

8

Figure 16:

Transition

curves

of

electrons

with

  

10, 10



, 10



, 10

for

gamma-initiated

showers

of

energy



.

0.1

1

10

100

1000

10000

100000

0

1

2

3

4

5

6

7

8

Γ(

E

0

/W,t

)

radiation length (

t

)

Anal.

E

0

/W=

10

2

Anal.

E

0

/W=

10

4

Anal.

E

0

/W=

10

6

Anal.

E

0

/W=

10

8

Figure 17:

Transition

curves

of

photons

with

  

10, 10



, 10



, 10

for gamma-initiated showers of

energy



.

(26)

IACTs

データに磁場カスケード型スペ

クトルを探す



簡略化断面積で計算した磁場シャワーでは発達の深さによ

らず、低エネルギーで微分スペクトルが



乗を示す。



これは

  

の極の寄与である。



この様子は詳しい断面積の数値積分解でも変わらない。

こんなガンマ線天体を探してみる。

ICRC2011

の以下のスライドの中にスペクトルのべきの近い

ものが見られる、



P. Colin

Id:1092

のスライド



F. Aharonian

Invited review talk

のスライド

(27)

1ES1218+304 SED: 1GeV – 1TeV

Preliminary

The intrinsic spectrum between 1 GeV and 1 TeV

(28)

TeV

γ-rays and shell type morphology:

acceleration of

p

or

e

in the shell to

energies exceeding 100TeV

can be explained by γ-rays from pp ->π

o

->2γ

HESS: dN/dE=K E

−α

exp[-(E/Eo)

β

]

α=2.0 Eo=17.9 TeV β=1

α=1.79 Eo=3.7 TeV β=0.5

but IC models generally are more preferred… because of TeV-X correlations (?)

RXJ1713.7-4639

with just ”right” energetics:

Wp=10

50

(n/1cm

-3

)

-1

erg/cm

3

IC origin of g-rays cannot indeed excluded, but this is not a good argument

(29)

磁場、光子ガス、物質中のカスケード

のスペクトルの比較

磁場のカスケード

(

詳しい断面積での数値

積分解)

1e-006

1e-005

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

10

100

1e-0081e-0071e-0061e-0050.00010.001 0.01

0.1

1

E

×

π(

E,t

)

E/E

0

t=.

01

t=.

02

t=.

05

t=

0.1

t=

0.2

t=

0.5

t=

1.0

t=

2.0

t=

5.0

1e-006

1e-005

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

10

100

1e-0081e-0071e-0061e-0050.00010.001 0.01

0.1

1

W

×

γ(

W,t

)

W/E

0

t=.

01

t=.

02

t=.

05

t=

0.1

t=

0.2

t=

0.5

t=

1.0

t=

2.0

t=

5.0

Figure 18:

ガンマ入射で磁場の中で発達するカ

スケードの、電子成分の

SED (

)

と光子成分の

SED(

)

(30)

光子ガス中のカスケード(簡略化断面積

での解析解

)

1e-005

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

1e-005

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

κ

×

π(

κ

,t)

κ/κ

0

t=.

01

t=.

02

t=.

05

t=

0.1

t=

0.2

t=

0.5

t=

1.0

t=

2.0

t=

5.0

1e-005

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

1e-005

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

λ

×

γ(

λ

,t)

λ/κ

0

t=.

01

t=.

02

t=.

05

t=

0.1

t=

0.2

t=

0.5

t=

1.0

t=

2.0

t=

5.0

Figure 19:

ガンマ入射で光子ガスの中で発達する

カスケードの、電子成分の

SED (

)

と光子成分の

SED(

)

Sep., 2010 – p.30/36

(31)

物質中のカスケード

(

数値積分解)

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

10

100

1000

10000

1e-0081e-0071e-0061e-0050.00010.001 0.01

0.1

1

E

×

π(

E,t

)

E/E

0

t=

0.1

t=

0.2

t=

0.5

t=

1.0

t=

2.0

t=

5.0

t=

10.

t=

20.

t=

50.

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

10

100

1000

10000

1e-0081e-0071e-0061e-0050.00010.001 0.01

0.1

1

W

×

γ(

W,t

)

W/E

0

t=

0.1

t=

0.2

t=

0.5

t=

1.0

t=

2.0

t=

5.0

t=

10.

t=

20.

t=

50.

Figure 20:

ガンマ入射で物質中で発達するカスケー

ドの、電子成分の

SED (

)

と光子成分の

SED(

)

(32)

簡略化断面積と解析解で開発プログラ

ムを点検

簡略化断面積と解析解の特長



厳密解である



定性分析が正確で楽



極限移行が容易



他の開発プログラムの中で断面積を一致させて、正しい結

果が出るか確認できる



深度刻みやエネルギー刻みなど、シミュレーションパラメ

タの決定に役立つ

Sep., 2010 – p.32/36

(33)

光子ガス、磁場、物質中のカスケード

の数値積分解の収束点検

光子ガス中のカスケードの数値積分プログラム

0

1

2

3

4

5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

Π

0

,t)

radiation length (

t

)

Anal.

κ

0/

κ=10

1

Anal.

κ

0/

κ=10

2

Anal.

κ

0/

κ=10

3

Anal.

κ

0/

κ=10

4

Num.

κ

0

/

κ=10

1

Num.

κ

0

/

κ=10

2

Num.

κ

0/

κ=10

3

Num.

κ

0/

κ=10

4

0

1

2

3

4

5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

Γ(

κ

0

,t)

radiation length (

t

)

Anal.

κ

0/

κ=10

1

Anal.

κ

0/

κ=10

2

Anal.

κ

0/

κ=10

3

Anal.

κ

0/

κ=10

4

Num.

κ

0

/

κ=10

1

Num.

κ

0

/

κ=10

2

Num.

κ

0/

κ=10

3

Num.

κ

0/

κ=10

4

Figure 21:

ガンマ入射で光子ガスの中で発達するカ

スケードの、電子成分の遷移曲線

(

)

と光子成分の

遷移曲線

(

)

。簡略化断面積での解析解

(

実線

)

と数

値積分解

(

)

を比較。。

曲線は下から



または

で下から

10, 100,1000, 10000

(34)

磁場のカスケードの数値積分プログラム

1e-006

1e-005

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

10

100

1e-0081e-0071e-0061e-0050.00010.001 0.01

0.1

1

E

×

π(

E,t

)

E/E

0

1e-006

1e-005

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

10

100

1e-0081e-0071e-0061e-0050.00010.001 0.01

0.1

1

W

×

γ(

W,t

)

W/E

0

Figure 22:

ガンマ入射で磁場の中で発達するカ

スケードの、電子成分の

SED (

)

と光子成分の

SED(

)

。簡略化断面積での解析解

(

実線

)

を同じ

断面積での数値積分解

(

)

と比較。

曲線は下から

 

0.01,0.02, 0.05, 0.1, 0.2, 0.5, 1.0, 2.0

と上昇し、

5.0

では下降して

いる。

Sep., 2010 – p.34/36

(35)

物質中のカスケードの数値積分プログラム

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

10

100

1000

10000

1e-0081e-0071e-0061e-0050.00010.001 0.01

0.1

1

E

×

π(

E,t

)

E/E

0

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

10

100

1000

10000

1e-0081e-0071e-0061e-0050.00010.001 0.01

0.1

1

W

×

γ(

W,t

)

W/E

0

Figure 23:

ガンマ入射で物質中で発達するカスケー

ドの、電子成分の

SED (

)

と光子成分の

SED(

)

数値積分解

(

実線

)

Nishimura

にある鞍部点法の解

をエクセルで簡便計算したもの

(

)

と比較。

曲線は

下から

 

0.1, 0.2, 0.5, 1.0, 2.0, 5.0

と上昇し、

10, 20, 50

では傾きを

増加させながら下降している。

(36)

結論と議論

光子ガスと磁場の中のカスケードについて

詳しい断面積で数値積分法で計算できるよ

うになった。

簡略化断面積で厳密な解析解が得られた。

解析解を得たことで、楽に定性的な分析が

できることになった。

ある種のガンマ線天体について、カスケード

の側面から議論できるようになった。

簡略化断面積でのシャワーの厳密解は、開発

中のプログラムの点検に役立つ。

今後簡略化断面積の改良による解析解の質の

向上を試みる。

Sep., 2010 – p.36/36

Figure 5: Transition curves of shower electron developing in matter (left), photon fields (middle), and magnetic fields (right)
Figure 8:  -weighted dif- dif-ferential energy spectrum of electrons for gamma-initiated showers of energy 

参照

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