11
Mon. Not. R. Astron. Soc. 323, 391±401 2001) Is the diffuse gamma background radiation generated by Galactic cosmic rays? Arnon Dar 1,2 and A. De Ru Âjula 1w 1 Theory Division, CERN, CH-1211 Geneva 23, Switzerland 2 Technion, Israel Institute of Technology, Haifa 32000, Israel Accepted 2000 November 4. Received 2000 September 6; in original form 2000 May 13 ABSTRACT We explore the possibility that the diffuse gamma-ray background radiation GBR) at high Galactic latitudes could be dominated by inverse Compton scattering of cosmic ray CR) electrons on the cosmic microwave background radiation and on starlight from our own galaxy. Assuming that the mechanisms accelerating Galactic CR hadrons and electrons are the same, we derive simple and successful relations between the spectral indices of the GBR above a few MeVand the CR electrons and CR nuclei above a few GeV. We reproduce the observed intensity and angular dependence of the GBR, in directions away from the Galactic disc and centre, without recourse to hypothetical extragalactic sources. Key words: scattering ± diffuse radiation ± gamma-rays: theory. 1 INTRODUCTION The existence of an isotropic, diffuse gamma background radiation GBR) was first suggested by data from the SAS 2 satellite Thompson & Fichtel 1982). The EGRET instrument on the Compton Gamma Ray Observatory confirmed this finding: by removal of point sources and the Galactic disc and Galactic Centre emission, and after an extrapolation to zero local column density, a uniformly distributed GBR was found, of alleged extragalactic origin Sreekumar et al. 1998). Above an energy of ,10 MeV, this radiation ± which we shall refer to throughout simply as `the GBR' ± has a featureless spectrum, shown in Fig. 1, which is very well described by a simple power-law form, dF=dE / E 2b ; with b < 2:10 ^ 0:03 Sreekumar et al. 1998). The origin of the GBR is still unknown. The published candidate sources range from the quite conventional to the decisively speculative. Perhaps the most conservative hypothesis for the origin of an isotropic GBR is that it is extragalactic, and originates from active galaxies Bignami et al. 1979; Kazanas & Protheroe 1983; Stecker & Salamon 1996). The fact that blazars have a g -ray spectrum with an average index 2:15 ^ 0:04; compatible with that of the GBR, supports this hypothesis Chiang & Mukerjee 1998). The possibility has also been discussed that Geminga-type pulsars, expelled into the Galactic halo by asymmetric supernova explosions, may be abundant enough to explain the GBR Dixon et al. 1998; Hartmann 1995). More exotic hypotheses include, among others, a baryon-symmetric universe Stecker, Morgan & Bredekamp 1971), now excluded Cohen, De Ru Âjula & Glashow 1998), primordial black hole evaporation Page & Hawking 1976; Hawking 1977), supermassive black holes formed at very high redshift Gnedin & Ostriker 1992) and annihilation of weakly interactive big-bang remnants Silk & Srednicki 1984; Rudaz & Stecker 1991). The EGRET GBR data in directions above the Galactic disc and centre show a significant deviation from isotropy, correlated with the structure of our galaxy and our position relative to its centre Dar, De Ru Âjula & Antoniou 1999). This advocates a local as opposed to cosmological) origin for the GBR. Indications of a large Galactic contribution to the GBR at large latitudes were independently found by Dixon et al. 1998) by means of a wavelet-based `non-parametric' approach that makes no reference to a particular model. Strong & Moskalenko 1998) and Moskalenko & Strong 2000) also found that the contribution of inverse Compton scattering ICS) of Galactic cosmic ray CR) electrons from Galactic light and the cosmic microwave back- ground radiation to the diffuse g -ray background is presumably much larger than previously thought. Earlier evidence that ICS of CR electrons from starlight in the Galactic halo contributes significantly to the GBR at large Galactic latitudes was reported in Chen, Dwyer & Kaaret 1996). They found that ,30 per cent of the intensity of the GBR at large latitudes is correlated to the Galactic radio continuum emission at 408 MHz, which is dominated by synchrotron radiation from the same CR electrons that produce ,100-MeV g-rays by ICS from Galactic stellar light. In this paper we go one step further and explore in detail the possibility Dar et al. 1999) that the diffuse gamma-ray back- ground radiation at high Galactic latitudes could be dominated by inverse Compton scattering of cosmic ray electrons on the cosmic microwave background radiation and on starlight from our own galaxy. In Section 2 we briefly review the GBR data and the evidence for its correlation with our position in the Galaxy. The CR proton q 2001 RAS w E-mail: [email protected]

Is the diffuse gamma background radiation generated by Galactic cosmic rays?

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Is the diffuse gamma background radiation generated by Galactic cosmic rays?

���� ���� �� ����� ���� ��� ������� ������

�� ��� ���� � �� � �������� � � ��� ����� ��� �� � � �������� � ���

���� ��� � ��� �� �� ���������������� ������� ���� ������ ����� ��� ��������������������� ����� ����� �� �! ��������"�� ���!� ��###� �����

�������� ���� �� �!"� �� ����# �� ���� �����!"� $% #� �#&#��� '�! ���� ��( ��

�� � �����

)� �*���� �+� ��#"#�#�( �+�� �+� �#''�� &�!!�,�( "��-&���� ��#��#�� �./�� �� +#&+

.�����#� ���#���� ����� "� ��!#����� "( #� �� 0�!���� �����#�& �' ��!#� �( �0��

������� �� �+� ��!#� !#��1� � "��-&���� ��#��#�� ��� �� ���#&+� '�! �� �1�

&���*(� ��!#�& �+�� �+� !��+��#! ��������#�& .�����#� 0� +���� ��� ������� ��

�+� �!� 1� ��# � #!��� ��� ����'�� ����#�� "��1��� �+� ������ #��#�� �' �+� ./�

�"� � � '�1 ��2 ��� �+� 0� ������� ��� 0� �����# �"� � � '�1 .�2� )� ������� �+�

�"� �� #����#�( ��� ��&��� ���������� �' �+� ./� #� �#���#�� �1�( '�! �+� .�����#�

�#� ��� ����� 1#�+��� ����� �� +(���+��#��� �*��&�����#� �����

��� ����! �����#�& � �#''�� ��#��#�� � &�!!�,�(3 �+��(�

" �#��$%&���$#

4+� �*#����� �' �� #����#� �#''�� &�!!� "��-&����

��#��#�� �./�� 1� '#� �&&���� "( ���� '�! �+� �$� �

�����#�� �4+�!��� 5 6#�+��� ��7��� 4+� 8.�84 #���!��� ��

�+� �%&��� ��%%� ��� '(������� ���'#!�� �+# '#��#�&3 "(

�!� �� �' ��#�� ���� ��� �+� .�����#� �#� ��� .�����#� 0����

�!##�� ��� �'�� �� �*�������#�� �� 9�� ����� ����!� ���#�(

� ��#'�!�( �#�#"���� ./� 1� '���� �' ����&�� �*��&�����#�

�#&#� ����-�!� �� ��� ���7�� �"� � �� ���&( �' �����2 �+#

��#��#�� � 1+#�+ 1� +��� �'� �� �+��&+��� #!��( � :�+�

./�; � +� � '������� �����! +�1� #� 6#&� � 1+#�+ # �(

1��� ���#"�� "( � #!��� ��1�,��1 '�! �)��� � ���� 1#�+� � ����� ���� ����-�!� �� ��� ���7��

4+� �#&#� �' �+� ./� # �#�� ��-��1�� 4+� ��"�#+��

����#���� ���� ��&� '�! �+� <�#�� ��� ���#���� �� �+�

���## ��( �������# �� =�+�� �+� !�� ���� ��# � +(���+�#

'� �+� �#&#� �' �� #����#� ./� # �+�� #� # �*��&�����#� ���

�#&#���� '�! ���# � &���*#� �/#&��!# �� ��� ��>�% ?�9��� 5

=��+��� ��7�% ����-� 5 ����!�� ���$�� 4+� '��� �+�� "��9�

+� � � �,�( �����! 1#�+ �� � ��&� #���* ���@� �������!���#"�� 1#�+ �+�� �' �+� ./� ����� �+# +(���+�# �0+#��&

5 ��-���� ���7�� 4+� ��#"#�#�( +� ��� "��� �#���� �+��

.�!#�&�,�(�� ���� �*������ #��� �+� .�����#� +��� "(

�(!!��#� ����� � �*���#�� !�( "� �"������ ����&+ ��

�*���#� �+� ./� ��#*�� �� ��� ���7% A��!��� ���@�� ���

�*��#� +(���+�� #������ �!��& ��+� � "�(��,(!!��#�

��# �� �����-� ��&�� 5 /���-�!� ��>�� ��1 �*������

�0�+�� �� ������� 5 .��+�1 ���7� �#!��#�� "���- +���

� �����#�� �=�&� 5 A�1-#�& ��>$% A�1-#�& ��>>� ���!�# �

"���- +��� '�!�� �� �( +#&+ ��+#'� �.���#� 5 B�#-� �����

��� ���#+#���#�� �' 1��-�( #������# � "#&,"��& �!���� ��#�- 5

����#�-# ��7�% ����9 5 ����-� ������

4+� 8.�84 ./� ���� #� �#���#�� �"� � �+� .�����#� �#� ���

����� +�1 � #&�#'#���� �� #��#�� '�! #����( �������� 1#�+

�+� ������ �' �� &���*( ��� �� ��#�#�� ����# � �� #� �����

��� �� ������� 5 �����#�� ������ 4+# �� ����� � ����� ��

������ �� ��!���&#���� �#&#� '� �+� ./�� C��#���#�� �' �

��&� .�����#� ����#"��#�� �� �+� ./� �� ��&� ���#���� 1��

#�����������( '���� "( �#*�� �� ��� ����7� "( !��� �' �

1� ����,"��� :���,���!��#�; ������+ �+�� !�-� �� �'�����

�� � ���#���� !����� ����& 5 ��-����-� ����7� ���

��-����-� 5 ����& ������ ��� '���� �+�� �+� ����#"��#�� �'

#� �� 0�!���� �����#�& �C0�� �' .�����#� ��!#� �( �0��

������� '�! .�����#� �#&+� ��� �+� ��!#� !#��1� � "��-,

&���� ��#��#�� �� �+� �#''�� �,�( "��-&���� # ���!�"�(

!��+ ��&� �+�� �� #���( �+��&+�� 8��#� � #����� �+�� C0� �'

0� ������� '�! ���#&+� #� �+� .�����#� +��� ����#"���

#&�#'#�����( �� �+� ./� �� ��&� .�����#� ���#���� 1� ������ #�

0+�� �1(� 5 ?���� ����$�� 4+�( '���� �+�� ��� �� ���� �'

�+� #����#�( �' �+� ./� �� ��&� ���#���� # �������� �� �+�

.�����#� ��#� ����#���! �!##�� �� ��7�A9 1+#�+ #

��!#����� "( (��+���� ��#��#�� '�! �+� �!� 0� �������

�+�� ������ ����,��2 �,�( "( C0� '�! .�����#� ����� �#&+��

C� �+# ���� 1� &� ��� ��� '��+� ��� �*���� #� ����#� �+�

��#"#�#�( ��� �� ��� ����� �+�� �+� �#''�� &�!!�,�( "��-,

&���� ��#��#�� �� +#&+ .�����#� ���#���� ����� "� ��!#����� "(

#� �� 0�!���� �����#�& �' ��!#� �( ������� �� �+� ��!#�

!#��1� � "��-&���� ��#��#�� ��� �� ���#&+� '�! �� �1�

&���*(�

C� ����#�� � 1� "#�'�( � #�1 �+� ./� ���� ��� �+� � #�����

'� #� ������#�� 1#�+ �� ��#�#�� #� �+� .���*(� 4+� 0� �����

� ���� ���

�8,!�#�3 �� ��D�*�+��������+

Page 2: Is the diffuse gamma background radiation generated by Galactic cosmic rays?

��� 0� ������� ����� �� "#�'�( � #�1�� #� ����#�� �� 4+�

�#&#� �����! ��� ��!��#�#�� �' ���,��� ��!#� �( �����

��� �����# +� � "��� ��"���� '� ��!�� � �����(� 4+�

!����!��� ��1 �*���� � � �!� �� ��� �' !�&�#���� #�

'��* ��� �!� �@ ��� �' !�&�#���� #� ���&( �� �� ��

����#+#�& � � � � ���� .�2 �/#� �� ��� ���@% 4�-��� �� ���

���7% /��9#�-## .#�9"�& 5 �(� ��-## ���� ��� �'�����

�+��#��� �"� � �@.�2 �+# �����! +� ��� � ��1�,��1 '�!

8�� 1#�+ �1� !��� �#��#�� #� �+� :#���*; � �� �+� �,������

:0� -���; ��� :0� ��-��;� 4+� ����� �����! �' 0� �������

+�1� #� 6#&� � # !��+ +��� �� !����% #� # ���( -��1� �� ��

� ��� .�2 ��� �"� � �@.�2 #� # ��� 1��� ���#"�� "( �

#!��� ��1� ��1�

C� ����#�� � ��� @ 1� �#�� #!��� ����#�� "��1��� �+�

������ #��#�� �' �+� ./� ��� �+� 0� ������� ��� ������ C�

� ��#�& 1� !�-� '�1 ��� �( #!��� ��!��#��3 �+�� �+�

!��+��#! ��������#�& 0� +���� ��� 0� ������� # �+� �!�

���&� '#�,��� 6�!# ��������#�� "( !� #�& !�&���#� '#����

�+�� �+� ������( !����� ������� �����! # ��������# � �' #�

� ��&� '�! �+��&+��� �+� .���*( �+�� �"� � � ����#� ���&(

#�� #��"�( �+� ������� �����! # !�������� "( #� ��

0�!���� �����#�& �� ���#&+� ��� �� �+� !#��1� � "��-&����

��#��#�� ��� �+�� �+� ./� # ��!#����� "( �+� ����#�&

0�!���� ��������� �+����� 4+# ����1 ��� �� ��# �

����'���( �+� ./� #���* '�! �+� ������� #���* ��� �+�

������� #���* '�! �+� ����� #���*� 4+� ./� #���* � �"� ��

"( 8.�84 # ������#�( �#���#�����( ��#'�!� )� #������ �+#

'��� � ���& ����� '� �� #!��� ��!��#���

C� ����#�� $ 1� ���-�� � !�� �#''#���� ��� ������#���(

����� �#�� �"����3 �+� �#&#� ��� !�&�#���� �' �+� ./�� C� �

��� �� ������ �*������#�� � �+�� �+� ./� �#&#���� !�#��(

'�! #� �� 0�!���� �����#�& #� �� �1� &���*( ��� �� ���

����� � # !�� ���� ��# � �+�� ��( �' �+� �� #���( �&&����

�#&#��

4+� ���,��� ���#���� ����� �' �� +(���+�# # �+�� #� ���

�� ������� �+� �"� �� #����#�( �' �+� ./� 1� !�� ��!�

�+� ����+�#&+� �' �� .���*(; 0� ������� �#�#"��#�� �� "�

��!�� �1#�� �+� ���#�#�����( �������� ���� �#!#�� /����� �'

�+# #� ����#�� $ 1� "#�'�( � #�1 �+� "�# �' �+� ��� ���#����

1#��! ��� �� �#�#��� #�1 �' #� �+� !�#� ��#�� �"��� 1+#�+

�� �+� '����1#�&� ��-����-� ����& ��� �+�# �����"����

+� � �� ������ � �( ����#��� ��������#�& �' �+� 0� ��#� ���

� �"� ��#�� �' �� &���*(� 4� '#� �+� ���� �+�# !���� �<�#� �

'���( ���!��#9�� ���������#�� �' 0� �����# ���� ����<�����(

�������� ���!�"�( "( �+� !��#�� �' ��"����� !�&���#� '#���

���&� ��� 5 =��-#� ������ ����& 5 ��-����-� ����7� #�������

� ����'' �+ '� �+� +�#&+� � � �+� .�����#� ����� �"� � 1+#�+

��!#� �( '���( ������ 4+�( '#�� �� ���� �#!#� �+ � �� -����� �+� "�# �' � '#� �� �+� ��/���/� ��#� �"� �� "( *���

�0������ ���7�� 4+# ���� # :�'�;3 �1#�� �+� ���� �#!#� 1����

�#�� "� ��!���#"�� 1#�+ �+� ���!"�� �' ���� �E�-�#�- �� ���

������ ���� � �+� .�����#� 0� ����� �#�#"��#�� �*������

'�! � '#� �� 8.�84 �,�( ���� �������( '� �� �����& 5

��-����-� ���7� �� �� +�� �#�#"��#�� �' 0� ���� �+�� # ���

� 1��� �����#9�� #� �+� �#� � �+� ��� ���#���� ����� �

�!���� ���� �� �)�""� ���>� � �� #' �+ � �� -�� � !���

4+# ��#�� ��� �+� ����#�( �� #� �-� 0� ���������#�� #��#,

���� �+�� ����+�#&+� �' �+� 0� ������� �#�#"��#�� #� �*�� �'

�+� ��,-�� :���� �#!#�; !�( ��� "� ��� �' �+� <���#��� B� ����

�� ���#!#9�� "( � ����+�#&+� �' ��&+�( ��-��� ���+ � ��&�

����+�#&+� # ��� #� ������#��#�� 1#�+ ��#� (��+���� �!##��

'�! �� &���*( #' �+� .�����#� �#� ��� #� !�&���#� '#��� ��

�!"����� #� � ��&� !�&���#� +��� 1#�+ � !��+ 1��-� '#����

C� ���(#�& �+� ��#"#�#�( �+�� !�� �' �+� �#''�� ./� # ���

�*��&�����#� ��� +� �1� �+�#��� 4+� '#� # �� �*���� �� +#&+

.�����#� ���#���� �+� ���"���� !���� �1#�+ !��( ���!���

���������#�� ��� �� +�� !��#'#���#�� �' �+� 0� ����� ��� 0�

������� ���&( ��� ���� �#�#"��#��� �+�� +� � "��� �� ������

�� ���#"� �+� #��#���� ����� �' �+� �"� ��#�� �� ��1 .�����#�

���#���� �����& 5 ��-����-� ���7% ��-����-� 5 ����&

������ 4+� ����� # �� ����� �� �( ��# � �� �' +(���+�� ���

'���� "( 0�!��#�� "��1��� �+� �����! �' �+� ./� !����� "(

8.�84 ����-�!� �� ��� ���7� ��� �+� ���#��#�� '� C0� �' ���#&+� ���

�+� 0�/ "( 0� �������� 4+� ���� # �� ������ ���#��#�� ��� �+�

��!��#9��#�� # �+� ��� �"��#��� '� �� � �� -��� �� � �@ -���

'���� �( 4+� �#!�( ��!#�,�( ������� �����! �8 ���� 5 ��(�

��7�% .����� �� ��� ����% 6����� �� ��� ���$� � !����� "( =#���

���>�� F���G% �#+#!�� �� ��� ���7�� F<���G% 4��& ���7�� F�#���G%

.����� �� ��� ���7�� F�#��&��G ��� /�1#�- �� ��� ����7� F��G� 4+� ����

# �+� ���#��#��% �+� !�&�#���� # ��!��#9�� �� �+� �����

��� $+ ��� ��� $+ �� � ,- ��

� ���� ��� ����� ��� �������

Page 3: Is the diffuse gamma background radiation generated by Galactic cosmic rays?

�!���( � #!��� ��!#�,�( !���� 1#�+ "( ��� ���#����

������ � ��&� ����+�#&+� '� 0� �������� ����� �' �+#

�(�� ��� 5 =��&� ����� 1+��#� ��!#� �( ���� �� �#����(

#������� �� +#&+ .�����#� ���#���� +� � �������( "��� ��������

C� ����#�� > 1� �#�� �+� !�&�#���� ��� ��&��� ����������

�' �+� �1� ��!#���� ����#"��#�� �� �+� ./� 1#�+#� �� !����3

#� �� 0�!���� �����#�& �' .�����#� 0� ������� �'' �+� ��!#�

"��-&���� ��#��#�� ��� ���#&+�� C� ����#�� 7 1� ��!���� �+�

!��� ���#�# � �''��� �' ���#&+� ��� #� ����#�� � 1� ��#!��� �+�

����#"��#�� '�! �*����� &���*#� 1+#�+ # ��� ��� ��!#���#�&�

C� ����#�� �� 1� ��!��� �� ���#��#�� 1#�+ �+� ���� �� �+�

#����#�( ��� �+� ��&��� ���������� �' �+� ./�� 4+� ���� ��

�( ��#'����( ��� 1#�+#� �� !���� ���� �� �+� ������#�� �+��

�+� ./� ��� "� ��!#����� "( �+� �!##�� '�! �� �1� .���*(�

)� �!!�#9� �� ������#�� ��� ���#��#�� #� ����#�� ���

� �)* ��� %���

)� ���� :�+� ./�; �+� �#''�� �!##�� �"� �� "( 8.�84 "(

!�-#�& �+� .�����#� �#� �� ���#���� �(� � ���� � 1��� � �+�

.�����#� 0���� �� �(� � ��� '� ���&#���� ��� � ���� ��� "(

�*�������#�& �+� ���� ���#�� �+# !�- �� 9�� ����!� ���#�( ��

��#!#���� �+� �� ��� "�!��+���& ����#"��#�� �� �+� �"� ��

��#��#�� ��� �� ��!� �+� !���� ���������� �' �+� ������

B��#�� �+� !�- �+� ./� '��* #���&���� � � ��� �#���#�� #�

�+� �"� �� ���&( ��&� �' ����2 �� ���.�2 +�1� #� 6#&� �

# 1��� ���#"�� "( � ��1� ��13

�)�

��� ���>�� �����

� ���� �

��2

� �����������

�!�� �� �� ��2��� ���

4+� � ���� !�&�#���� #� �<���#�� ��� # ��#�# � �� �+� !����

��� �� �"���� �+� '��&���� ����-�!� �� ��� ���7% ����& 5

��-����-� ���7� "�� �+� ������ #���* # ���� 4+� 8.�84 ����

�� &# �� #� ���-�!� �� ��� ����7� '� �$ �( �� ��!�#� �#��

���� '� ���+ +��',+�!#�+��� 4+� ������ #���* # 1#�+#�

�� �*��!��( �#���#�����( ��#'�! � +�1� #� 6#&� � 1+��

1� +� � ������� �+� 8.�84 ���� � '����#�� �' � �+�

�"� ��#�� ��&�� ����# � �� �+� �#���#�� �� �+� .�����#� 0����

��� � � ���(� ������� 4+� ��!��#9��#�� # �� +�!�&�����

"�� #� �#���#�� 1��� �"� � �+� .�����#� �#� �+� .�����#� 0����

�&#�� #� +� "��� '���� �� "� ���#���� 1#�+ � ��!�� �#�#"��#��

����� �+� !��� ����3 �+� �+� ���#! �' � ��#"�� �*��&�����#�

�#&#� ����-�!� �� ��� ���7��

C� 6#&� � 1� +� � ������� � � '����#�� �' � �+� 8.�84 ./�

�����#�& ��� �"� � �����2� 4+# '#&�� �����( +�1 #� �+��

��� �' �+� '�� <���� �' �+� �����#�� �+�� �� #����� �' �+�

�����#�& ��� ��1�� �+� .�����#� 0����� A�1 #&�#'#���� # �+#

�''���H E�� ��� � �������'� "� �+� :������; �� �� ��&�� �'

'����!� 4+� ��� ���� '� ������� '��* # ��$3 �( ����#'����(�

� "�� '#� �' �+� '�! ) � )� � )���� �� �� (#��� ��� � ���� � �( ��&� #!�� �!��� �'� +#&+� ���(��!#�� #� �� � �+�

+#&+� ��� ���''#�#��� �� ��!���#"�� 1#�+ 9��3 �+� '#� ��� ���

#&�#'#�����( #!�� ��� ���� ��� �+�� �� ��&�� 1#�+ �� � ��&�

�+�� #� !��� ���� ��� �� � �����$ �� � 77��$�� �� ��� �' �+� ��

���� ��#�� �� �"� � �+� � ��&� '��* 1+#�� �� ��&�� 1#�+

� � 77�$� �7 ��� �' �+� �� ���� ��#�� �� "���1 �+� � ��&�� 4+�

��"�"#�#�( '� � ��#'�! �#�#"��#�� �� ������ �+# ��&� � �

��&� '�������#�� # ��@ � ����� 4+# # ���& � #����� �&�#�� �

��!#�����( ��!���&#��� �#&#� �' �+� ./��

8 �� #� �#���#�� ��#��#�& �� �+� .�����#� �#� ��� �+� .�����#�

0���� 8.�84 ���� �� � ,�( �"� � �.�2 +�1 �� �*�� � �

�+� �*������#�� '�! .�����#� ��!#� �( ������#�� �' �� �=�+�

5 8��#�� ���7�� 8������ "�!��+���& #� &� # ��� �+� ����

�' �+� ������2 #���,.���*( �,�( �"� �� "( 0B�=48E

�����& 5 ��-����-� ���>� "����� �+�# .�����#� ���#����

�#�#"��#�� # "���� �+�� �+�� �' �+� &�� 4+�� '#��#�& ���

#!��( �+�� #� �� 0�!���� �����#�& !�( "� !��+ !��

#!������ �+�� �� #���( "��#� ���

� �)* �� %���

4+� ��!#� �( �����# +� � � ��1�,��1 ������ '��* �)��� ���� 1#�+ �� #���* � �+�� �+��&� �� �1� "��-,��#�� ���&#�� C�

�+� #��� �� ���� �2 � � � �-��� � � � ���@ �2� ����� ����#,

������$ �� ���� �' �+� 0� �� '#*�� ���&( �� ������� ��� �+�#

'��* # �/��9#�-## �� ��� ���� ��� �'����� �+��#��

�)�

��� ��7

.�2

� ����>�����@

�!�� �� �� .�2��� ���

C� �+� #��� �� �-��� � � � ���-�� � � � ���7 �2� �+� �����!

������ '�! �� � ��> �� �� � ���� '������#�& �&�#� �� �� � ��@�"� � ���-���

4+� 0� '��* �' ������� �=#��� ��>�% �#+#!�� �� ��� ��7�%

4��& ��7�% .����� �� ��� ��7�% 8 ���� 5 ��(� ��7�% .�����

�� ��� ����% 6����� �� ��� ���$% /�1#�- �� ��� ���7% '� � �����

��!�#���#�� �� )#�"��,����+ 5 /#�!��� ���7� +�1� #� 6#&� �

# 1��� '#���� '�! � � ��.�2 �� �� 4�2 "(

�)�

��� ���@� ��@� � ��@

��2

� ����������

�!�� �� �� ��2���

���4+� ����#�� ��� ��� !�&���#� '#��� ��� �+� ��� 1#�� !��#'(

�+� ������� �����! "���1 8 � ��.�2� � �+�� �+� �#��� �"�,

��#�� �� �+�� ���&#� !�( �� #��� '�! �+� ����� #��������

������ +����

0�!#� �( ������� ����&� #� �� 0�!���� �����#�& �C0��

�'' �+� �!"#��� �+���� "��+3 ���#&+�� ��� �+� ��!#� "��-,

&���� ��#��#��� 4+� ������ #��#�� �' �+� ./� ��� 0�

������� ��� "� �( #!��( ��� ����'���( ������ ��� �� ���

����� #' �+� ./� ��!#�����( ���#� �' �+���� ��������� #�

���&( "( C0� �' �+�� ������� � 1� ������ �� +�1�

+ �)* �#%*, $' �)* ��� �-*���&.

4+� ����� ��!������ ��!"� ���#�( ��� !��� ���&( �' �+�

� 4+� #������ �&��� 1���� "� +#&+�( ����# #�#� ��� '�! �+� "#�+ �'

��!���� �"���� #� ����� � �*���#�� ����#�& �� � 0� �������#��

��!���#�& � !�&���#9�� �&#�� �' .�����#� +��� �����#�� ���

����#���#�& � �����# � ����#�� �� �+� ��"��! �' �+� �#&#� �' �+� +#&+��

���&( ��!#� �( � <���#���# � ���#��#�� �' �+� ������ 0� �����!

��� � ��#"�� �*������#�� �' ������ &�!!�,�( "���� 4+� 8.�84 ����(# ��� � �,-�� 0� ������� ����+�#&+� ������#����

�� �+� .�����#� �#�� C� �� 0�!���� �����#�& '�! ��+ �� �������

�#�#"��#�� &# � � ��&�#&#"�� ����#"��#�� �� �+� ./� ���#�� �+� 8.�84

!�-�

� B� ���� '� �+� ������ #���* �� ��� ������ �� �+� #�#�#�� �+����

���&(� 4+� ./� #����#�( ��� ��� �� ������ �� �+# ���&( �#�� �� �

��I�� ��1�� 4+# 1��- ���&( ���������� ���#'#� �+� #����#�� �' �+�

��� ��� '� #�'��� ��#��#�� '#��� � ��� �' �+� :���#&+�;�

��� ��!! � "�%%� (��."�� �� ��������� ���

� ���� ��� ����� ��� �������

Page 4: Is the diffuse gamma background radiation generated by Galactic cosmic rays?

��!#� !#��1� � "��-&���� ��#��#�� �0�/� �� �� ���>�7?� �� � ��� �!�� ��� �� � ��>.�� � $��$ � ����� ��2

����+� �� ��� ����% 6#*�� �� ��� ���$�� 4+� .�����#� ���#&+�

��E� �#�#"��#�� # +#&+�( ���,��#'�! #� � ��&� ���&( # �� �� �2� 0��#�� �+� �''��� �' C0� �' +#&+,���&( ������� �� �+#

��#��#��� ��!� �+� +��� �' �+� ������� '��* �<���#�� ���

�"� �� �� � � ��.�2� �� "� ��������# � �' �+� � ��&�

.�����#� �����!� 6� �+� ���&( ��&� �' 8.�84 �+� 4+�!��

�#!#� # ������� � �� '� C0� �' ���#&+�3 �+� �� ��,���#�� #

4 � ��$@ � ����� �!�� 4+� !��� ���&( �� �' �+� ���������

�+���� � �� �+� !��� ���&( �� �� ����##�� #

������ � ������ � �

��

%���

� ��

��� ���

1#�+ �� � �� � ���4+� C0� �+���� �����! �#&#���#�& #� �� &���*( # �+� �!

�' 0�/ ��� ���#&+� ����#"��#��3

�)�

��� �)�

���

�)�J

��� �@�

��� # � '����#�� �' �+� .�����#� ���#���� �(� ��� ���&#���� ���

����#����� 4+� C0� '#��� �+���� �����! � � ��!"��!�

��� ����#�� �6����� 5 ��#�� ��$$� �' � 0� ��1� �����!

1#�+ � �+���� �+�!�� �#�#"��#�� � ��� "� ����*#!���� �(

#!��(� K#�& �&�#� �+� #���* :�; �� ��"�� �+� 0�/ ��� ���#&+�

'��*�

�)��

���� ���(� ��4

����

���

�)�

���

� ������

� ��� � %��

������������

���

�� �$�

1+�� ��� # �"��#��� '�! �<���#�� ��� "( #� ��#�& ���� ��� )�

������� �� ����#�� $ �+� �#��#�� �' �+� !����,���������

'���� �( 8.�84 ���� '� �+� ./� ������ #���* � � '����#�� �' � �+� ��&�� �1�( '�! �+� �#���#�� �' �+� .�����#� 0����� 4+� �#�� # �+� ���#����

������ #���*� 4+� �#�� ���� ������� �� �+� #��# #���� +��',+�!#�+��� ��� ( � �� � � �� �"� ( � �� � � �� ��� ( � �� � � �� ��� ( � �� � � ��

��� $+ ��� ��� $+ �� � ,- ��

� ���� ��� ����� ��� �������

Page 5: Is the diffuse gamma background radiation generated by Galactic cosmic rays?

��!��#9��#�� '���� ���( �� ��� ���( ��3 �''���# � ����!�

���#�#� ����#�& '�! �+� ��� ����#�� �' �+� ���� �#�#"��#��

�' 0� ������� 1#�+ �+�� �' ���#&+� ��� �' �+� 0�/�

C������#�& �+� 0� ������� '��* �' �<���#�� ��� �' �+� '�!

�)���� � $�����2���� � #��� �<���#�� �$� 1� �"��#�

�)��

��� ���(� ��4$

�����2

�%���

� ������ �

��2

� �� ����� � ������������@�

�>�C� �+� ���&( ��&� �' 8.�84 �+� 0�/ ��� ���#&+� ����#,

"��#�� +� � �+� �!� ������ #���* � �� �+� !��� ���#&+� ���

�*����� &���*( ����#"��#�� �#���� #� ����#�� 7 ��� ��

4+� �+���� ������ #���* �' �<���#�� �>� 1+#�+ # ������ ��

�+�� �' �+� 0� ������� �+��&+ �� � ��� � ����� ��#��#�� 1#�+�+� !����� ��� �<���#�� ���� 4+� ������� �����! �' �<���#��

��� ���#"� �+� ���� #� �+� ��&� �� � @.�2� � �+�� �<���#��

�>� +���� "� ��#� �"� � �� � ��� -�2� �+� �(�#��� ���&( �'

�+���� ��������� '�! �+� 0�/� �� �� � @�.�2� �� �+� ����

��� �' �+� 8.�84 ���� 4 #� �+� ���#&+� ����#"��#�� +���� "�

������� "( �+� ��!����� ?��#���#+#�� ��,���#�� #!��(#�& �

������#�& �' �+� �����!� 4+� �������#�& �''��� '� �+� 0�/

����#"��#�� # �� �� ���&( �"� � �+� 8.�84 ��&��

C� ��# #�& �<���#�� �>� 1� +� � ��!�� �+�� �+� ������(

!����� ���� �' �<���#�� ��� # ��������# � �' �+� #���* �' �+�

�����! �' �+� ������� �''�#�& C0� �� ������ �+� ./�

1+�� � �+�( !�( "�� 4+� ������ #���* �' �+� �#''�� ./�

�"� �� "( 8.�84 # #���������� �' �#���#�� � +�1� #�

6#&� �� 4+� ���#�#��� ��� '� � '��� �#�#"��#�� # ��##�&�(

&���3 ��� � ��@� 4+# # ������&#�& ����� '� �� 1�-#�&

+(���+�# �' �� ������� �����! 1#�+ � ��# ��� +��� ��� �'

� #!��� ��� ��!#���� !��+��#! � C0� � �� &������ �+� ./��

/ �)* �#%*, $' �)* *0*���$#

�-*���&.

4� ����� �+� ����� �' 0� ������� ��� ����� 1� ���� ��

��#!��� �' �+� �����! �' �+� ����� �� �+�# ����� � ����

'���� +( 8.�84 ���� �&��#9�� � #� 6#&� � '� �+� ���������� �� � �' �+� ./� #����#�( �"� � �����2�

��� ��!! � "�%%� (��."�� �� ��������� ��@

� ���� ��� ����� ��� �������

Page 6: Is the diffuse gamma background radiation generated by Galactic cosmic rays?

�����! �)��� 1#�+ #���* � � ��� # �"��#��� '�! ����##��,

�� +��- #!����#�� �/����9 5 B��1-# ���7� � ����(�#���

��#!��� �' ��������#�� "( ����# #�#� ��� ��� ���7�� 4+� 0�

�����! �' �����# # !�������� "( �+�# �#����� �#!� #� �+�

.���*( �&������ 6� � ����( ���� �' 0� �+� ���&( �����������' �+� �"� �� '��* # ��&+�( �+�� �' �&���)

���� B"� ��#�� �'����+(#��� ��� ��� ���!� ��� �' ������ �"������� �

'����#�� �' ���&( ���&� �1��( �� ��� ����� #��#���� �+��

�&����� � ����@����� �*���#�#�& �� � � � ��@ � ��>� � #� �<��,

�#�� ����

=���#����( ��� 0� ��������#�� !��+��#! #� �-� �� #��#9��

!��#�! �+�� # 1��� "( � !� #�& !�&���#� '#��� ��+ � 1����

"� ��#�� "( �+� ��'#�� ���!� #� � ����� � +���

�/+�����+���� 5 �#&� ����� � "( � :���!�#�; �' ������ ������

��� 5 =��&� ������ 4+� !�&���#� '#��� ��� � � !� #�& :!#�;

�+�� #!��� �+� �!� �#�#"��#�� #� ����#�( � E����9 '����

� � ��%��� �� ��� �+�&�� ���#���� 4� �+� �*���� �+�� ���#���,

���#'#� ��� ���+ � (��+���� ��#��#��� ��� "� ��&������ ��

�+� ��������#�� ��&� ��� ���� '��*� +� � �+� �!� ���&(,

����������� 6� ������� "���1 �+� ���#�#����� :�������; -���;

�� �� � �%��%���-��� � �4�2� 1� �*���� �)���� � ��� � 1#�+

� � ���� 0��'#��!��� �''��� ��� � �+# �<���#�( '� ����,

����# #�#� ������� ��� �����3 �+�# "�+� #�� #� � !�&���#�

!�9� # �+� �!�� /�� ���#-� �+�� �' +���� �+� :����#�&; �#!� �'

������� � 1+#�+ �� #&�#'#�����( �''����� "( �+� �!"#���

��#��#�� ��� !�&���#� '#��� � # +��� �+�� �+�# .�����#�

���'#��!��� �#!� �&����� �"� � � ����# ��( ��1 ���&(� 4+� �+�

0� ������� �����! # !�������� !�#��( "( �+� C0� ��� ��� "(

�+� ���'#��!��� �#!��

8������ ��� ���&( ��� ���( "( C0� �� ���#&+� ��� �+�

0�/ "�� ��� "( (��+���� ��#��#�� ���#�& �� !�&���#� '#����

��� �' �+�� ����� �� ����#���( �+� �!�3 �����#�& �''

�+���� �#�+� ��� � #����� 4+� ���&( �� # &� ���� "( �+�

��� �� 1+#�+ � #�&�� ������� #������ 1#�+ �+� �!"#���

������!�&���#� '#��� 1�#&+��� "( �+� �������#�& � ��&�

���&( ���#�(3 / � 4������ � ���� � 0���7���� E�� �� ���

#� �� �#!�� "� �+� ������#�� ��� �' 0� ������� ��!�� ��

"� ������� �/��9#�-## �� ��� ����� ��� ��� ������ "� �+�#

���� ��!"�,���#�( �����!� 4+� ������ ���#�( ������ #� ��

#��� �� �� �"��� � # ����#�����( �����#+�� ��� �������� "(

������� �+� ���&( �' 1+#�+ # "�#�& ��&���� "( #������#���

4+# ���� �� � ����(,���� #����#�� #� 1+#�+ ������#�� ���

��� �� #� "������� K#�& �<���#�� ��� 1� �"��#�

/

�%������

���� ���

��

� �� ��

�����

� �7�

6� � ����# ��( ��#'�! .�����#� 0� ������� ���#�( �<���#��

�7� ��� ����#� �� �+� ����� ������� '��* �)� � ������ ������"�#���� �+� �����! ������ � ��� #��� �+� '��* �#�� �'

�<���#�� �7� �� �"��#�

�)�

��� �%�

�����

��� � ��/�)

���� �������� ���

6� ������� 1#�+ �� � �%��%���-��� 1� ������� �+�� � � ����4+� � � � � ���� #� �&��!��� 1#�+ �+� ����3 �<���#�� ��� ���

6#&� �� �"� � �+� :�������; -���; �� �� � �4�2 �+� �����!

+���� ������ �� "( � � ���@� �#-� �+�� �' 0� +���� ���

���7�� 4+� � �#��"�� ������ !����!��� �*���� ���( �� �� ���@4�2�4+� ���&( ���#�( #� �+� 0�/ # ���� � ���� �2 �!���

��#��#�������( #!#�� �� �+�� #� ���#&+� �� �� �����#��3

���� � ���� �2 �!��� C' �+� ����� 0� ��� !�&���#� ���&(

���#�#� �� #� �<�#���#�#�� 0���7�� � � �2 �!��� �&�#� �' �+�

�!� ���� 4+� ����#�& �#!� �' ������� #� �+� ���!"�� �' �+��

'#��� #

�������� � �%���

�/�� ���� � �

.�2

� ���

.(� ����

4+� .�����#� ����� �#!� �' .�2 ������� 1+#�+ +���� "�

#!#�� �� �+�� �' 0� ����� �&����� � ����@���� ��1��( �� ���

����� +� � 1��-� ���&( ���������� �+�� �+�� �' � ����� ���''#�#����( ��1 ���&( �+�� �&�� � ������ ��� ����� ��+� �+��0�!���� � (��+���� ����#�& ���+ � 0����!" �����#�&

#��#9��#�� ��� ��� "�!��+���&� "���!� ��� ���� 4+� ����

�' �<���#�� ��� +���� �+��&� � �+� ���&( # ��1���� 4+�

�����! �' 6#&� � +�1 ��+ � �+��&� "�� #� ���� �� � ���.�2� � ��&� #� 1+#�+ ����� !������#�� 1���� !�- �+�

�''����

1 �)* ���0*)*��)� $' �� *0*���$#�

4+� ��#� �!##�� �' &���*#� ��� ��&�,�� � #�������� �

(��+���� ��#��#�� "( ������� �� �+�# ����� !�&���#� '#��� �

�''� �#��� �"� ��#���� � #����� '� 0� ������� 1��� �"� �

&�����#� �#� ���&� ��#� C1#� 5 /���!�� ���7�� 6� �+�

���#�����( 1���,�"� �� ��� �' �.0 @>@@ �+� �*������#��

����+�#&+� �' �+� (��+���� ��#��#�� # ���� -��� C' �+� 0�

��� �+� !�&���#� '#��� ���&( �� #� �<�#�#"#�! �+�( +���� +� �

#!#�� �#�#"��#�� ��� �+� �*������#�� ����+�#&+� �� �' �+�

������� ��&+� �� "� ��&+�( �1#�� �+�� �' �+� (��+����

#����#�( 1+#�+ �'���� �+� ��� ����#�� �' �+� ������� ���

!�&���#� '#��� �#�#"��#��� 4+� #�'��� ���� �� � 7 -�� '�

�.0 @>@@ !�( ��� "� ��# ��� '� �#�� #��� �� # �(

��#�# � �� �+� ���#�( ��� �#�#"��#�� �' 0� ���� &� ���

���!� #� ���+ ���#���� &���*(� ���� � �+� !�&���#� '#���

!�( "� #� �<�#���#�#�� 1#�+ ��!#� �( ���( 1+�� �+�

#�������� ���!� # ���� ����&+� C� # <�#�� ��#"�� '� �+�

0� ������� �� "� ���'#��� #� � ��&� !�&���#� +��� 1#�+ � '#���

!��+ !���� �+�� �+�� #� �+� �#�� 6� �+�� ���� 1� !��

�#�� �+� �"� ��#�� �' �� �1� ���#���� .���*(�

4��#�#�����( 0� ������� ��� �����# 1�� ��!�� �� +� � �

�#�#"��#�� �+�� ��&�( '#���� �+�� �' �+� ##"�� ��� �' �+� .���*(

� 1+�� �+�# ��� ���#���� ���� �#� � #!��(#�& � ����+�#&+�

�"� � �+� ����� �' �+� �#� �' ���� -�� �/���"��� A���! 5

B"��� ��7��� � �+� ���� ��� �+�# ����(# "���!� !��

���"���� ����+�#&+� !�� �+�� ��� ��� �' !�&�#���� ��&�

1�� �#���� ���&� ����& ��-����-� 5 ��#!� ������ =���(

�������� 0� ���������#�� �+���!��� +� � "��� #��������

��� ���( �� '#� �+� �"� �� #����#� ��!��#�#�� �' ��!#� �(

���&� ��� 5 =��-#� ����� "�� ��� �� �*���#� +�1 #� �*�����

&���*#� &��� ��� ����� +#&+,���&( 0� ������� ��

�"� �� '� �1�( '�! �+�# ���� � �� �+��&+ �+�( ��#��(

��� ���&( �� �+� �!"#��� ��#��#�� ���� �� �+�! ���&� ��#� �� ���

���7�� 8 �� 1#�+ ���������#�� � ��� ���#���� .�����#� �#�#"�,

�#�� �' ��!#�,�( ���� '�#� �� ���#"� �+� �"� �� ./�

�����& 5 ��-����-� ���7��

B � �+� (�� ��-����-� ����& ��� �+�# �����"����

+� � �� ������ 1+�� # ���!�"�( �+� !�� ���"���� ���

����#��� ��������#�& �' �+� 0� ��#� ��� � �"� ��#�� �'

�� .���*( �����& 5 ��-����-� ���> ���7% ��-����-� 5

����& ���� ������ � ���#�� ���!��� #� �+�# !���� #

�+� ���� �+ �' �+� 0� �#�#"��#�� ��+�&���� �� �+� .�����#�

��$ $+ ��� ��� $+ �� � ,- ��

� ���� ��� ����� ��� �������

Page 7: Is the diffuse gamma background radiation generated by Galactic cosmic rays?

����� ��'#��� � �+� +�#&+� �"� � 1+#�+ 0� '���( ����� �

#� � ���-(,"�* !����� ����& 5 ��-����-� ����7� ��������

�+�� �+ �#� "��1��� � ��� �� -��� 4+� �#!#� �� "��� �� �+�

��!��#�� �' �+� ��/���/� ��#� �"� �� "( *��� �0������

���7� 1#�+ !���� ���#��#�� � � '����#�� �' �+ 1#�+ ��� ��+�

���!��� '#*�� �� �+�# ������� ����� 4+� ���������� �' �+���/���/� ��#� �� �+ +�1� #� '#&� � �' ����& 5 ��-����-�

����7� ��� �������� +�� � 6#&� @ # �( 1��- '�

�+ � �� -��� �� �+ � �� -��� �+� ���#��#�� 1���� "� ���( �!�

��� ������ �� #��#�� "���1 �+� *��� ������ ���� ���

� �� �+ � �� 1���� "� #�"��3 �+� � ��&� �' ��� �� #�� ���

�!�1+�� �� ���#� �"� ��#�� ��!�#��� #� E�-�#�- �� ���

������ ��� +�1� #� 6#&� @� 1���� "� #� �&��!��� 1#�+ �+ ��� � �� -��� 6� ��� �+�� ���� ��� �+� ��� ����� #� �+�

C�������#�� 1� +��� ��� �'�#� '�! ���#��#�& ����+�#&+�

�"� � �+� �� -�� ���� �#!#� <����� "( ����& 5 ��-����-�

����7��

2 �)* �.� �#% ����0��)�

�$#����&��$#� �$ �)* ���

4+� ������ #���* �' �+� ./� ��# �� #� ����#�� � #

#���������� �' �+� ����#� �' �+� ���#�� �#�#"��#�� �' ���#&+��

)� +� � �&��� �+�� �+� 8.�84 ./� ���� ����� �+� #!���

+(���+�# �' �� ������� ������ #���* �+�� # #���������� �'

�����#��� 4+� ���#���� ./� #���* # �+�� ��� #���������� �' �+�

!�&�#���� �' �+� ������� �����! � � '����#�� �' ��#�#��� C�

�+# ���#�� 1� �� � #!��#'#�� !���� �' �+� ������� ��� ���#&+�

�#�#"��#�� �� ��!���� �+� !�&�#���� ��� ��&��� ���������� �'

�+� 0�/ ��� ���#&+� ����#"��#�� �� �+� ./��

)� ����� �� � �� -�� �� ���� �"��#��� '�! � ��&+ '#� �' ��

���� �� �+� ��&����( � ��&�� '������ �' �+� ./�� '� �+�

.��#�� ����+�#&+� �' �+� 0� ������� �#�#"��#�� �' �� .���*(

#� �+� �#���#�� ������#���� �� �+� .�����#� ������ 6� �+�

�#�#"��#�� #� � � �+� ��#�� ����#���� ��+�&���� �� �+� .�����#�

�*# � 1� ����� � .��#�� ����+�#&+� �� � �@ -��� �+� ����

�� <�#�� #���#�# � �� �+# ���!���� 4+� 8.�84 ./� ����

�� ��� ���#� ����&+ �� "� :#� ��#"��; �+�� # '� �+� ������

+#&+,���#���� 0� ������� �#�#"��#�� �.��#�� �*������#�� �

��+�1#�� �� "� �#�����&���% � '��� �� "� ��#���� ���� #�

#�1 �' �� ����� 4+� �#����� �' �+� ���� (��! �� �+�

.�����#� 0���� # �� � 7�@ -��� 4+� '���� ���� �� #� �<���#��

�$� 1+#�+ ���#"� �+� ��&��� ���������� �' �+� ./� �+����

�##�& '�! C0� �� �+� ���#'�!�( �#�#"����� 0�/ #

���(� �� ����

���� �*� ���

��

� ���

� �*� ����� (���

� ���

���� (� ����

� �� ��

���� (� � � #� (�

���� (� �� � L�� ���(� ������ ���� � �� ���(� #������M���� ����1+�� � # �+� �#����� #� �+� �#���#�� ����& �+� �#�� �' #&+��

C� # �#''#���� �� !���� #� ����#� �+� ����#"��#�� '�! C0� ��

���#&+� �A���� �� ��� ���>% ���-�!� �� ��� ���7�� A�1� � 1�

�� ���( �������� 1#�+ �+# �#&+� �� +#&+ .�����#� ���#���� � �+�

�#''�� ./� �' #����� �� � # �+�� !����� "( 8.�84 "(

!�-#�& �+� .�����#� �#� ��� ������ )� !�-� � ���� ��#!���

"( ����*#!��#�& �+� .���*(; ���#&+� � �+�� ������� "( �

���� �� #� ������ 1#�+ �+� .�����#� ��!#��#�( 1� � ��� ����� E� � @�@ � ��@@ �2 �� �=#��+�� 5 �� ��� /�&+ ������

4+� ���#&+� ����#"��#�� #� �<���#�� �@� # �+�� �' �+� �!� '�!

� �<���#�� ���� 1#�+ �� ����� '� �� "( �+� �"�#���#��

�� 1�

�����

��� � ���� ���(� ������ ����� ����

6� �+� 0�/ ��� ���#&+� ����#"��#�� �� �+� ./� � ��&��

� � �+� 8.�84 ��!�-�� ��!�#� 1� �"��#� "( #���&��#�� �'

'���� /( ��/���/� ��#� '� �+� �#''�# � ���������#�� !���� �' ����& 5 ��-����-� ����7�3 ��� � � '����#�� �' ���&( '� �+ � �� � � � @ �� �@ ���

�� -��% �"� � � '����#�� �' �+ �� @�@��2��������� �+� !��� #�������� ���� '� �+� *��� ���� �+� � �#!#� �' 1+#�+ �� �+� ��+�� �#��� 4+� ����

��#�� #� ��� �� '�! E�-�#�- �� ��� ������ �<��� 2���"�� � �% ���� �#��� C�= >I7% �#��&�� C�88 �� ��� 0������ ����7� �'#���� �#��� *�����

� � #!��� ���� ��1 '� ���#&+� # �� �*������� ����*#!��#�� �*����

���� �� �+� .�����#� �#� ��� ������ � �� �*�!��� '� � � � -�� ���

� � � -��� #� ������� �� � '�1 �� ���� �+� ���� �' '#&� �" �' ����&

�� ��� ������ "��� �� �� ���"���� !���� �' �+� .���*(�

��� ��!! � "�%%� (��."�� �� ��������� ��>

� ���� ��� ����� ��� �������

Page 8: Is the diffuse gamma background radiation generated by Galactic cosmic rays?

�<���#�� �@� �$� ���� ��� ����

�)�

��� ������ ��@@�

� ���� �

��2

� ����������@

�!�� �� �� ��2��� ����

C� ���#���� 1� '#�� �+�� �+� C0� �' ��!#� �( ������� '�!

���#&+� #� �+� .�����#� +��� ����#"��� �� � ��&� ��� ����$ �+���� �!�� �� �� �� �+� ./� �"� � �����2 #� �+�

���#���� "��� ����@ � ( � >��� #� �&��!��� 1#�+ �+� ���� �@�����7� � ���$ �+���� �!�� �� �� �+�� 1� ������� "( 0+�� �� ���

����$� '�! �+� +��� �,�( '��* 1+#�+ # �������� 1#�+ �+� ��7,

�A9 (��+���� �!##�� #� �+# ���#���� "����

6� ����+�#&+� �� ��� � � #!#�� �� �+� ��� ������� +�� ���

��� �@ -�� �����# ��(� �+� 0�/ ��� ���#&+� ����#"��#�� ��

��!���"�� #� !�&�#����% �+� '#� ���� ����*#!����( �#����(

1#�+ �� 1+#�� �+� ����� # ��+� #���#�# � �� �+# ���!����

4+� ����#"��#�� �� �+� 0�/ '�! ���#&+� ��� �*����� &���*#�

�#���� #� ����#�� 7 ��� � ��� �����#�� �' $ ��� ��� ��

���� ������# ��(� �� �<���#�� ����% �+� ����� ���� # +�1� #�

6#&� �� 4+� '#���� ���� �' �� # #!���#�3 '� '#*�� ���&(

���#�#� ������� �+� ���#&+� �� 0�/ ��#� # �����#���� �� ������#�� �� � �( ����( ����!#��� ��1� ��� � ���� � ��������@� �� �<���#�� �>� ���� ��� ����� 4+# �( 1��- ����������

# ��� �+� ���� 1+( 1� ��� ����*#!��� �+� ���!"�� �'

���#&+� ��� ��� ��� '� #�'��� '#��� "( � :���#&+�; ����

1#�+ �+� ����� .�����#� ��!#��#�( ��� �� ����*#!��� �� � � �2�)� ��� �� �� ��!�� .��#�� �#�#"��#�� �' ������� #� �

+��� 1#�+ ��#��� ��� ��#�� ����+�#&+� �� ��� � � �� ��!����

�+� �#''�� �,�( ��!#��#�( �' �� &���*( 1+#�+ #� �� !���� #

��!#����� "( C0� �� 0�/ ��� ���#&+� �+����� K#�& �<���#��

�@� �$� ���� ��� ���� 1� �"��#� '� �+� ��!#��#�( #� �,�( �'���&( �"� � �

1��� �� � 1���� ��� 1�J�� ���

1���� �� � ���� � ������

�@ -��

� ����

�� -��

� �

� �

��2

� ����������@

�& ���

1�J�� �� � ��@$ � ������

�� -��

� ��

� ����

��

� �

� �

��2

� ����������@

�& ��� ����

1+�� ����������������������� �����

��

� � '���� �,�( �������� ��+ � �1$��

����� ��#"�( �� �+� �������#�& &��1 �' ����!���; +����

E#-�1#� �( ���"( ��"�� .���*#� ��+ � �7� ��� ��#�

&���*#� 1#�+ ��&� 0� ������#�� ��� ��+ � 0(&�� � !�(

"� ##"�� #� �,�(3 �+�# �"������ 0� ��&+� �� &������

����# ��( ��&� �,�( #����#�#��

3 �&#0��)� �$#����&��$# �$ �)*

0$��0 ���

)� �� ���( �� � �#����� �� � ��@ � ���� �! '�! �+� ���� 4+#

����#� � !��� "�� ���,��&�#&#"�� ����#"��#�� �� �+� ������(

�"� �� ./� ����#�& '�! C0� �'' �+���� #� �+� +��#��+���

4+� �������#�& �+���� '��* # ���#"�� "( �<���#�� �>� 1#�+

�+� �"�#���#�� �' � � "( �+� !��� ���&( �� � ���@ �2 �' ���

�+���� ��� �+� �"�#���#�� �' �� "( �� �+� ��� �+���� ����!�

���#�( ����& �+� �#�� �' #&+�� E�� �� "� �+� ��&�� "��1��� �+�

�#�� �' #&+� ��� �+� �#���#�� �� �+� ��� 4+��

����� ��� � E�

�������

�� ��#� ��

� �� ��@�

6� � ��#'�! �� �� �#�#"��#�� ��#�& �+� 8.�84 ���� ��-#�&

�+� � ��&� ����!� ���#�( # ��� � �E����$������� ����#�& #�

� ���#&+�,#������ ./� '��*3

�)��

��� ���� � ���� �

��2

� ���������@

�!�� �� �� ��2��� ��$�

4+# ����#"��#�� # ��&+�( $ �� ���� �' �+� ���� '� �� .���*(

�<���#�� ����� �� �� � >@.�2� �+� �����! �' �<���#�� ��$�

+���� ������ "����� C0� +���� �+�� "� ���#"�� "( �+�

?��#���#+#�� ��,���#�� ��� ��� "( #� ��1,���&( 4+�!��

�#!#��

4 *,�����0����� �$#����&��$# �$

�)* ���

4� ��#!��� �+# ����#"��#�� �!� ������� ��� ��!"� ���� ��

"� �������� A�""��; ������� # �� � ��� � -! �� ������ 1#�+� � ��$@� ! ��� � �� !���� ��� ����! ��!#� ���#�#� #�

�#�#��� ��#�3 � ! � �� � � �� � # �+� ��+#'� '����� C� �

6#��!�� !���� �+� �#!� �� ��+#'� ����#�� # ����� ����! ����� 1#�+ ! ��� � ���� ��� � !�

� � ������ 4+� ��!#�,

�#�( ���#�( �' �+� ����� K�# �� �8��# ���>� # �E � ��������� � ��7 �E� ������ 4+� ��!"#���#�� �E�1� �� #�� ��

��#!��� �' �+� � ��&� ��!"� ���#�( �' :�#�-(,)�( �<�# �����;

&���*#�� C' �+� !�#� ���� �' 0� �� (���& ����� �

�!���� � &�!!�,�( "�� �+� 0� ������#�� ��� ��&+� �� "�

�����#���� ���&� )#�� �� ��� ���7� �� �+� �� '�!��#�� ���

��6�F�G ������( !����� �� �� ��+#'� � � ��@ ����#��� �� ���

������

4+� ���&( �' 0�/ �+���� ��������� "( ������� �� :����+

�: # �����#���� �� ���� � ��� ��� #� # �"�<�����( ��+#'���

"( �+� �!� '����% +���� �+� ����� '�! �#���� &���*#� +����

+� � �+� �!� ���&( ���������� � '�! �� .���*(� 4+�

#����#�� '� ���#&+� �+���� # !�� ��!��#������ N���&

&���*#� �� "��� �+�� ���� ��� "�� �+# �''��� # � �,

��!������� '� "( �+� �*���#�� ��+#'� '�! � ����# ��( ��1 �

��1��� N�� �� �+� ���&#� �"� �� "( 8.�84 ��� '� �+�

��+#'� ���� �' ���� �+�� ��!#���� �+� �*��&�����#� ����#"�,

�#�� ��� �+�� "���, ��� ��+#'� #!��( ������� �+� �+����

���&( 1+#�� ��&+�( !�#���#�#�& �+� ���� �' �+� �����!� 6�

�+� �! �' ��� &���*#� 1� ��#!���

�)8.�

���

��

�1�

���

�E1J

��

��

��6������6����

! �����

��� ��>�

1+�� �1���� # �� "� �"��#��� '�! �+� ��!#��#�( �' � �#�-(

)�( �#-� &���*( �<���#�� ����� 6� ��6�F�G 1� #��������� �+�

�!!�( ���� �' ���#��� �� ��� ������� C� 1#�#�& �<���#�� ��>�

1� +� � #&���� �+� '��� �+�� �"� � � � ��.�2� �+� �''��� �'

�"���#�� "( �� �� ������#�� �� �+� C�,��,K2 "��-&����

"���!� ��� ��� �����!�� 5 ����-� ���7� � �+�� �+�

�*��&�����#� ����#"��#�� +���� "� <����+���

6� � ! � � �+� ���� �' �+� #���&�� #� �<���#�� ��>� #

���7�% #� #����� �� ����7 '� � ������( !�� '�+#���"��

��# �� 1#�+ � �� � � ��>� ! � ���� 6� �+� ����� ��� �+�

��7 $+ ��� ��� $+ �� � ,- ��

� ���� ��� ����� ��� �������

Page 9: Is the diffuse gamma background radiation generated by Galactic cosmic rays?

���� #

�)8.�

��� ���7 � ���� �

��2

� ����������@

�!�� �� �� ��2���

��7�

��&+�( �� �� ���� �' �+� ��&����( � ��&�� ���� '� ��

.���*( �<���#�� ����� � #!#�� ��#!��� �' �+� ./� '�! C0� #�

�*����� &���*#� +� ��� "��� !��� "( ������ ����7��

"5 %*���0*% �$.-����$# 6��) �)*

*��*� %���

B� ���#��#�� '� �+� !�&�#���� �' �+� ./� ��� #� �#���#����

���������� �� ( ��� � �� +�1� #� 6#& $ ��� >� C� 6#&� $ 1�

�#���( �������( �+� ����#"��#�� '�! C0� �'' 0�/ ���

���#&+� �+���� #� �� &���*( � 1��� � �+� ��#'�!�(

�#�#"���� ���#&+� ��� �*��&�����#� ��!������� C� 6#&� > 1�

��!��� �+� ����� ./� '��*

�)�

��� �)�

���

�)�J

���

�)��

���

�)8.�

��� ����

�"��#��� "( �!!#�& �<���#�� ��7� �<���#�� ��$� ��� �<���#��

���� 1#�+ �+� 8.�84 ����� B� ���� # � ��#'����( '#� �� �+�

�"� �� !�&�#���� ��� ��&��� ���� �' �+� ./� � ��� � ���7�� � �� #!�� �!��� � � �+� ���� '� � ������� ��*��&�����#��

����9 '� 1+#�+ ��� � ��$� ���+��&+ �+# �&��!��� 1���� "�

� �� !�� !���#�&'�� +�� 1� ��� � !�� ���#�#� !���� �'

���#&+� � !�� ���'�� ����!��� !�( "� ��!���� '� �+�

8.�84 �� "� �� ��&� ����&+ �� ����!!����� ���#���"��

�#��#�� #� �+� #���� !�����#�&� C� � �� #�� ����(# ��� �� ���

����� '� #������ 1� �"��#��� � #!#���( &��� '#� 1#�+ ��

��!�� �������,���#�( �+�#��� 0� ������� +��� �' ��#�

�@ -�� '� 1+#�+ �+� ���� +� � �+� �� ����&� �' "�#�& #!���

����(�#��� '����#���

)� +� � ��&������ �#�� �����# � �*��&�����#� ����#"��#��

�� �+� ./�� 4+� -(,� ��&�� ����#"��#�� �' #����#'#��

�*��&�����#� ���� ��+ � "��9� �!���� ���( �� �> ��

���� �' �+� �"� �� ./� #����#�( ���-���� 5 0+#��& ������

4+� ����� 8.�84 ���� �� ���#���� 1#�+ � ��!#��#�( '����#��

�' '�#�� ���������� "��9� 1+#�+ ����� ������� '� �� !�� � �@

�� ���� '���#�� �0+#��& 5 ��-���� ���7� ��� !��+ �� #' �+�

�''��� �' �"���#�� �� �+� #�'��� ��� '� #�'��� "��-&���� #

��-�� #��� ������� ���I� �� +�� � ����#�� '����#�� �� ���

����+�� #� �� ����!�� �� '#� �+� ����&�� �*��&�����#� ./��

A�1� � 0� ������� #������� �#����( #��� #���&�����#� ����

"( ���# � .�����#� �����# ��#� &���*#� � &�!!� �( "���

!�( &# � #� �� � ����#"��#�� �' ��!���"�� !�&�#���� ���

+��� �� �+�� �' �+� 0� ������� #� �*����� &���*#�� 4+�� �

��+� ������#�� ���� �' ./� �+���� !�( #!��( �+�� ��

���!��� �� ��� � � +� � "��� � ���#!����� /�� �+# �''���

������ "� �( ��&� &# �� �� ���� �� ���#"#�& �+� ���,

�# #�� ��&��� ���������� �' �+� 8.�84 �����

"" �$#�0&��$#� �#% -�*%����$#�

)� +� � ������� � #!��� ��������#�& �' �+� ����#�� "��1���

�+� ������ #��#�� �' ��!#� �( ����� ������� ��� �+� ./��

)� +� � �#���� �+� ���& � #����� �&�#�� � ��!���&#����(

��!#����� ./� ��� ������#�& �+� ��#"#�#�( �+�� �+� 0� �������

�#�#"��#�� #� �� .���*( !�( +� � � ����+�#&+� ��&� �+��

��� ���#�����( "��#� �� 1� +� � ��� +�1� +�1 �+� "��- �' �+�

./� ����� �#&#���� #� �� �1� .���*(� B� !�����#�& #

�*��!��( #!��#�#� "�� <�#�� ����'���

4+� ���#��#�� ���#'#� �� �� ����#� �� � '����1�

�#� 4+� ./� +���� �'���� �+� �(!!��( �' �� �'',�����

��#�#�� #� �+� .���*(�

�##� 4+� +��� �' ����!��� +���� +#�� #� �,�( �"� � � '�1��2 1#�+ � ��!#��#�( ��!���"�� �� �+�� #� �<���#�� �����

.���*#� 1#�+ �"������ 0� ������#�� ��+ � �7� ��� 0(&��

� +���� ��� "� ����# ��( ���& ���� �' �,�(��###� 4+� ./� �����! +���� ��� +� � �+� +�� ���,�''

�"� � � � ���.�2� �*������ �����!�� 5 ����-� ���7� '�

��!���&#��� ����� C� +���� �����+��� ������ �����

������.�2� "����� �' �+� ���#�#����� :-���; #� �+� �������

�����! �� � ��� �� � � �4�2� ��� �+� ���&(,���������� �'�+� ?��#���#+#�� ��,���#���

4+�� '����� �' �� ����#� +���� "� ����"�� � �+� ��*�

'���� 1( 0���#"��#�� �� �+� ./� '��* �"� � �����2 � '����#�� �'

���&#���� � �� '#*�� ���#���� ( '�! C0� �' ���#&+� ������� �#��� ��� 0�/

#� �� &���*( ���+�� �#��� ��� �+� ����� C0� '�! �*����� &���*#�

�����#���� �#��� ��� '�! ���#&+� �������+�� �#���� 4+� ��#��� ���� #

��� �#!� �+� ��!"� �' �+���� �� ��!� �� 4+� ���� �� '� �� ��� -��� �� � �@ -���

��� ��!! � "�%%� (��."�� �� ��������� ���

� ���� ��� ����� ��� �������

Page 10: Is the diffuse gamma background radiation generated by Galactic cosmic rays?

&�����#�� �' ��!#�,�( ��� � ,�( �����#�� �$3��#� ���

�1$��� �� �����#���� +���'���( "( ���@�

���#$60*%�.*#��

)� �� #���"��� �� .� /#&��!# �� ���� ��� .� ��''��� '�

�#��#�� ��� �� C� ��-����-� ��� �� ����& '� ��!##�� ��

������� �+�# ���� #� �� 6#&� @� )� �+��- �� ����(!��

�'��� '� !��( ��'�� ��!!����

�*'*�*#�*�

/�1#�- �� )� �� ��� ���7 ��O ��7 >>�

/����9 O� B��1-# �� ���7 =+(� �� � E���� 7� ����

/��9#�-## 2� �� .#�9"�& 2� E� �(� ��-## �� C� ���� ����+(#� �'

��!#� �(� ���+ A������ �!����!

/+�����+���� =� �#&� .� ���� =+(� ���� ��> ���

/#&��!# .� 6� 6#�+��� 0� 8� A��!�� �� 0� 4+�!��� �� O� ��>� ��O

��� $��

/#� �� O� �� ��� ���@ ��O ��� ���

/���"��� �� A���! 0� .� 4� B"��� O� E� ��7� ����� ��> �7�

0+�� �� �1(� O� ?���� =� ���$ ��O �$� �$�

0+#��& O� ��-���� �� ���7 ��O ��$ >>�

0�+�� �� �� ������� �� .��+�1 �� E� ���7 ��O ��@ @��

0������ O� O� ���7 ��O @�� E@�

�� �� ���7 #� .��� �� �� =��� �������� �� �� 2������ �;����

6����# =+(� ��� C�6� =�"�� ��!� �� ��

�� �� =��&� �� ���� �5� ��� �@�

�� �� �� ������� �� �����#�� �� ���� #� .#� ������# 6� �������+# .�

�� =��� 2������ ���� )�-+�� C� ��� � 0#!���� ������ #� ��

����,�+I��������

�#*�� �� �� A��!��� �� A� ?����9(- 8� �� ��!#!# O� �#�+� ��

?��"��+ .� ��(�,A���1���� A� ����& �� )� ���7 ��1

����� � @��

��#� �� C1#� O� /���!�� A� ���7 �5� ��� ��7

8��# �� �� ���> ���5� �@ �7�

8 ���� =� ��(� =� ��7� O� .���+(� ��� 7�� �$�>

6����� O� 8� ��#�� =� ��$$ ��O ��$ $7$

6����� =� �� ��� ���$ �5� ��$ @�7

'���� 2( 4+� '��* �' ./� �+���� �"� � �����23 ��!��#�� "��1��� 8.�84 ���� ��� �� !���� '� �� � �� -��� �� � �@ -��� � '����#�� �' ���&#������ �#�� '#*�� ���&#����� 4+� &�( ��!�#� # 8.�84; !�-�

��� $+ ��� ��� $+ �� � ,- ��

� ���� ��� ����� ��� �������

Page 11: Is the diffuse gamma background radiation generated by Galactic cosmic rays?

6#*�� �� O� 0+��& 8� �� .��� O� �� ���+� O� 0� �+�'� �� �� )#&+�

8� E� ���$ ��O �>� @>$

.���#� �� N� B�#-� O� =� ���� ��O ��� �

.����� �� E� ���&� /� .� /��+1� .� �� ���#�� �� �� E��( O� E�

����+�� �� �� P#�� O� 8� ��7� ��O �7> $��

.����� �� E� �� ��� ���� ��O ��$ >��

A��!��� �� A� ���@ ��O ��> $�$

A�1-#�& �� )� ��>> ��#� �!� ��$ ��

A���� �� �� �� ��� ���> ��O �7� ��@

?�9��� �� =��+��� O� =� ��7� ��� ��� ��7

E�-�#�- �� 6����� =� �������� 6� /� )�""� )� �� ���� ��O ���

��$

���+� O� 0� �� ��� ���� ��O ��� ���

��-����-� C� 2� ����& �� )� ���� ����+(� E���� 0�!!��� �7 ��@

��-����-� C� 2� ����& �� )� ���� ��O @�7 �@>

��-+���� �� 0+#��& O� ���� ������#��� =+(� �� ���

�#+#!�� O� �� ��� ��7� ��O ��7 ���

=�&� �� �� A�1-#�& �� )� ��>$ ��O ��$ �

=�+� �� 8��#�� O� �� ���7 ��O @�> ��>

=#��� 4� �� ��>� ��O ��> $>$

=#��+�� 0� O� �� ��� /�&+ �� ���� �O ��7 7��

����9 �� ����-� 6� )� ���� ��O �$7 ��

����!�� �� A� ����-� 6� )� ���7 ��O ��� @�>

��� 8� �� =��-#� 2� �� ���� ��O ��� >�@

�#�- O� ����#�-# �� ��7� =+(� �� � E���� @� �$�

������ �� ���7 ���#�� ����,�+I�7����@�

���-�!� =� �� ��� ���7 ��O ��� @��

����-� 6� )� ����!�� �� A� ���$ ��O �$� $��

����-� 6� )� ��&�� �� E� /���-�!� O� ��>� =+(� �� � E���� �>

��$�

���#��� 0� 0� ����"�&� ?� E� .#� ��#�� �� �#�-���� �� =���#�# ��

���� ��O @�� �

����& �� )� ��-����-� C� 2� ���> #� ��!� 0� �� ��#�-!�� �� ��

?�'� O� �� �� =��� ��+ 0�!���� �(!�� �!� C��� =+(� ��1

N�- �� ��$�

����& �� ��-����-� C� 2� ���7 ��O @�� ���

����& �� )� ��-����-� C� 2� ��#!� B� ���� ��O @�> >$�

�1��( �� =� ������ �� ��(� =� E� E;A����* O� .��'��� O� ��

���� ��O ��� $�@

4�-��� �� �� ��� ���7 =�E 7� ��$�

4��& ?� ?� ��7� ��O �>7 77�

4+�!��� �� O� 6#�+��� 0� 8� ��7� �5� ��� �@�

)�""� )� �� ���> ����� ��#� �� � 7� ��>

)#�"��,����+ /� /#�!��� =� E� ���7 E������,/�Q���#� 2��� 2�I���

��#�&� 2���& A�#���"�& �� �>

)#�� �� �� �� O� /���! O� �� /�&�� O� �� �������� =� ���7 �����

��� E��

4+# ���� +� "��� �(���� '�! � ���I����� '#�� ������ "( �+� ���+��

��� ��!! � "�%%� (��."�� �� ��������� ���

� ���� ��� ����� ��� �������