[論文レビュー] Cosmic Ray Positrons from Cosmic Strings

Robert Brandenberger, Yi-Fu Cai+2 more|ArXiv.org|Jan 22, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 46被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、10–600 GeVのエネルギー範囲で観測された宇宙線陽電子が、非超伝導性の宇宙ひもにおけるくびれ散漫による粒子ジェットに起因すると提案している。モデルは600 GeV付近に鋭い上側カットオフを持つスペクトル形状を予測し、このカットオフに近づくに従いフラックスが上昇するが、これはPAMELAおよびATICのデータと強く一致する。この一致は、くびれの詳細なダイナミクスに依存せず、初期ジェットエネルギーがピークエネルギーを決定し、ひも張力と散漫効率がフラックスの振幅を調整する。

ABSTRACT

We study the spectrum of cosmic ray positrons produced by a scaling distribution of non-superconducting cosmic strings. In this scenario, the positrons are produced from the jets which form from the cosmic string cusp annihilation process. The spectral shape is a robust feature of our scenario, and is in good agreement with the results from the recent PAMELA and ATIC experiments. In particular, the model predicts a sharp upper cutoff in the spectrum, and a flux which rises as the upper cutoff is approached. The energy at which the flux peaks is determined by the initial jet energy. The amplitude of the flux can be adjusted by changing the cosmic string tension and also depends on the cusp annihilation efficiency.

研究の動機と目的

• 10–600 GeVの範囲で観測された宇宙線陽電子フラックスの過剰を、天体物理学的背景予測を超えて説明すること。
• ダークマターまたはパulsarモデルに依存しない、非超伝導性宇宙ひもにおけるくびれ散漫による陽電子生成メカニズムを提案すること。
• PAMELAおよびATIC実験で観測されたスペクトル形状、特に鋭いカットオフとカットオフ付近でのフラックス上昇を再現すること。
• 宇宙ひもの張力とくびれ散漫効率に依存する陽電子フラックスの依存関係を特定し、ひもモデルに対する制約を導出すること。
• くびれダイナミクスの詳細に依存しない、モデルに依存しないスペクトル形状の強力な予測を提供すること。

提案手法

• スケーリング分布を仮定し、宇宙ひものループをスケーリング分布でモデル化し、ハッブル半径の固定割合で形成されたものとする。
• 局所的ひものくびれが高エネルギー粒子ジェット（陽電子も含む）を放出するくびれ散漫メカニズムを適用する。
• くびれからのジェットエネルギースペクトルを用い、初期ジェット質量 $ m_f $ によって決定されるカットオフエネルギーまで上昇する。
• 銀河内での伝搬効果を考慮しつつ、ループ分布全体の積分によって宇宙線陽電子フラックスを計算する。
• くびれ散漫効率 $ \epsilon $ とひも張力 $ G\mu $ を導入し、これらがフラックス振幅をスケーリングする。
• モデル予測をPAMELAおよびATICのデータと比較し、$ m_f $、$ G\mu $、$ \epsilon $ を制約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙ひものくびれ散漫は、ATICおよびPAMELAが観測した600 GeV付近の鋭いスペクトルカットオフと、カットオフに近づくに従い上昇するフラックスを再現できるか？
• RQ2 宇宙ひもモデルにおける陽電子スペクトルのピークエネルギーは、何によって決定されるか？
• RQ3 予測フラックス振幅は、宇宙ひも張力 $ G\mu $ とくびれ散漫効率 $ \epsilon $ に対してどれほど感度が高いか？
• RQ4 このモデルは、ダークマターや近接するパulsarを仮定せずに陽電子過剰を説明できるか？
• RQ5 観測データとの一致から、$ G\mu $ および $ \epsilon $ にどのような制約を課すことができるか？

主な発見

• モデルは、600 GeV付近に鋭い上側カットオフを持ち、カットオフに近づくに従いフラックスが上昇するスペクトル形状を予測し、ATICおよびPAMELAの観測と一致する。
• 陽電子フラックスのピークは初期ジェットエネルギー $ m_f $ によって決定され、$ m_f $ が大きいほどエネルギーが高くなる。
• フラックスの振幅は、積 $ \epsilon (\gamma^{11/6} G\mu)^{-1} $ に依存し、観測されたフラックスレベルに合わせて調整可能である。
• $ \epsilon \sim 1 $ の場合、モデルは $ G\mu $ に対して上界を課し、多くの低エネルギースケールの宇宙ひもモデルを除外する。
• スペクトル形状は、くびれダイナミクスの詳細に強く依存しないため、モデルの強力な予測である。
• 過剰な反陽子が生じないよう、このモデルは宇宙ひもが主にレプトンへと崩壊することを要請しており、これはPAMELAの反陽子データと整合する。