A small fraction of gamma-ray bursts (GRBs) with available data down to soft X-rays (∼0.5 keV) has been shown to feature a spectral break in the low-energy part (∼1–10 keV) of their prompt emission spectrum. The overall spectral shape is consistent with optically thin synchrotron emission from a population of particles that have cooled on a time-scale comparable to the dynamic time to energies that are still much higher than their rest-mass energy (marginally fast cooling regime). We consider a hadronic scenario and investigate if the prompt emission of these GRBs can originate from relativistic protons that radiate synchrotron in the marginally fast cooling regime. Using semi-analytical methods, we derive the source parameters, such as magnetic field strength and proton luminosity, and calculate the high-energy neutrino emission expected in this scenario. We also investigate how the emission of secondary pairs produced by photopion interactions and γγ pair production affect the broad-band photon spectrum. We support our findings with detailed numerical calculations. Strong modification of the photon spectrum below the break energy due to the synchrotron emission of secondary pairs is found, unless the bulk Lorentz factor is very large (Γ ≳ 103). Moreover, this scenario predicts unreasonably high Poynting luminosities because of the strong magnetic fields (106–107 G) that are necessary for the incomplete proton cooling. Our results strongly disfavour marginally fast cooling protons as an explanation of the low-energy spectral break in the prompt GRB spectra.

中文翻译：

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快速冷却的质子同步加速器模型，用于快速 GRB

一小部分可用数据低至软 X 射线 (~0.5 keV) 的伽马射线暴 (GRB) 已被证明在其快速发射的低能量部分 (~1-10 keV) 出现光谱中断光谱。整体光谱形状与来自一组粒子的光学薄同步加速器发射一致，这些粒子在与动态时间相当的时间尺度上冷却到仍然远高于其静止质量能量的能量（略微快速冷却状态）。我们考虑强子场景，并研究这些 GRB 的迅速发射是否可以源自在略微快速冷却状态下辐射同步加速器的相对论质子。使用半解析方法，我们推导出源参数，例如磁场强度和质子光度，并计算在这种情况下预期的高能中微子发射。我们还研究了光子相互作用产生的次级对的发射和γγ对的产生如何影响宽带光子光谱。我们通过详细的数值计算来支持我们的发现。发现由于次级对的同步加速器发射导致光子光谱低于断裂能的强烈修改，除非体积洛伦兹因子非常大（Γ≳ 103）。此外，由于不完全质子冷却所必需的强磁场（106-107 G），这种情况预测了不合理的高坡印廷光度。我们的结果强烈反对将快速冷却的质子作为快速 GRB 光谱中低能光谱断裂的解释。我们还研究了光子相互作用产生的次级对的发射和γγ对的产生如何影响宽带光子光谱。我们通过详细的数值计算来支持我们的发现。发现由于次级对的同步加速器发射导致光子光谱低于断裂能的强烈修改，除非体积洛伦兹因子非常大（Γ≳ 103）。此外，由于不完全质子冷却所必需的强磁场（106-107 G），这种情况预测了不合理的高坡印廷光度。我们的结果强烈反对将快速冷却的质子作为快速 GRB 光谱中低能光谱断裂的解释。我们还研究了光子相互作用产生的次级对的发射和γγ对的产生如何影响宽带光子光谱。我们通过详细的数值计算来支持我们的发现。发现由于次级对的同步加速器发射导致光子光谱低于断裂能的强烈修改，除非体积洛伦兹因子非常大（Γ≳ 103）。此外，由于不完全质子冷却所必需的强磁场（106-107 G），这种情况预测了不合理的高坡印廷光度。我们的结果强烈反对将快速冷却的质子作为快速 GRB 光谱中低能光谱断裂的解释。我们通过详细的数值计算来支持我们的发现。发现由于次级对的同步加速器发射导致光子光谱低于断裂能的强烈修改，除非体积洛伦兹因子非常大（Γ≳ 103）。此外，由于不完全质子冷却所必需的强磁场（106-107 G），这种情况预测了不合理的高坡印廷光度。我们的结果强烈反对将快速冷却的质子作为快速 GRB 光谱中低能光谱断裂的解释。我们通过详细的数值计算来支持我们的发现。发现由于次级对的同步加速器发射导致光子光谱低于断裂能的强烈修改，除非体积洛伦兹因子非常大（Γ≳ 103）。此外，由于不完全质子冷却所必需的强磁场（106-107 G），这种情况预测了不合理的高坡印廷光度。我们的结果强烈反对将快速冷却的质子作为快速 GRB 光谱中低能光谱断裂的解释。由于不完全质子冷却所必需的强磁场（106-107 G），这种情况预测了不合理的高坡印廷光度。我们的结果强烈反对将快速冷却的质子作为快速 GRB 光谱中低能光谱断裂的解释。由于不完全质子冷却所必需的强磁场（106-107 G），这种情况预测了不合理的高坡印廷光度。我们的结果强烈反对将快速冷却的质子作为快速 GRB 光谱中低能光谱断裂的解释。