[論文レビュー] Cosmic rays above the ankle from Z-bursts

Graciela B. Gelmini, Gabriele U. Varieschi|ArXiv.org|Jan 29, 2002

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、GZKカットオフを超える超高エネルギー宇宙線（UHECRs）—特に「アンクル」特徴およびスーパービルトイベント—が、遠方の源からの超高エネルギーニュートリノと重力的に凝集しない軽い余剰ニュートリノ（質量 ~0.07 eV）との間で発生するZボソン共鳴（Zバースト）に起因すると提案する。このモデルは、~10^20.0 eV まで核子が支配的であり、それ以上のエネルギーでは光子が支配的になると予測する。また、GZKカットオフ（~5×10^19 eV）にエネルギー密度の蓄積が生じ、観測データの兆候と一致し、~10^19.0 eV 付近のアンクルを説明する。

ABSTRACT

Neutrinos from far away sources annihilating at the Z resonance on relic neutrinos may give origin to the ultrahigh-energy cosmic rays. Here we present predictions of this mechanism with relic neutrinos lighter than 1 eV, which do not gravitationally cluster. We show that not only the super GZK events, but the "ankle" and all events above it can be accounted for. Most primaries above the ankle are predicted to be nucleons up to $10^{20.0}$ eV and photons at higher energies. We also find an accumulation at the GZK cutoff energy, a hint of which can be seen in the data.

研究の動機と目的

• GZKカットオフを超えるUHECRsの起源を説明すること、特に「アンクル」とスーパービルトイベントを含む。
• 標準的な天体物理学的モデルが挑戦を受ける、アンクルを超えるUHECRsの等方性およびスペクトルの滑らかさを説明すること。
• 質量 < 1 eV の軽い、重力的に凝集しない余剰ニュートリノを含むZバーストが、観測されたUHECRスペクトルおよび特徴を再現できるかどうかを検証すること。
• アンクルを超える主生成粒子の組成（核子対光子）を予測すること。
• EGRET制約および銀河間磁場の制約の下でのモデルの頑健性を評価すること。

提案手法

• モデルは、超高エネルギーニュートリノ（ν_UHE）と軽い余剰ニュートリノ（mν ≈ 0.07 eV）の対消滅によるZボソン共鳴生成を用いる。生成されたZ⁰ボソンは、宇宙線粒子に崩壊する。
• 共鳴エネルギーは E_Res = M_Z² / (2mν) で計算され、mν = 0.07 eV の場合、E_Res ≈ 0.6×10^23 eV となる。
• 伝播中のエネルギー損失をモデル化して、特にGZKカットオフでの抑制を説明する。
• モデルは、アンクル以下の銀河宇宙線フラックス（AGASAからのスロープおよび正規化）を仮定し、アンクルの位置とフラックス正規化を予測するためにZバースト成分を追加する。
• 核子および光子のフラックスをシミュレートし、データに一致するようにスケーリングし、アンクルやGZKカットオフの蓄積といったスペクトル的特徴に特に注目する。
• UHEニュートリノの源として、崩壊する超重い余剰粒子やトポロジカルな欠陥を想定し、必要な高エネルギーニュートリノフラックスを生成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量 ≈ 0.07 eV の軽い、重力的に凝集しない余剰ニュートリノを含むZバーストが、GZKカットオフを超えるUHECRスペクトル、特にアンクルを説明できるか？
• RQ2 モデルは、GZKカットオフエネルギー（~5×10^19 eV）にフラックス蓄積を予測するか？観測データの兆候と一致するか？
• RQ3 アンクルを超えるUHECRsの組成は予測されるか？具体的には、核子が~10^20.0 eV まで支配的で、それ以上のエネルギーでは光子が支配的になるか？
• RQ4 モデルは、銀河ハローとの方向的相関なしに、アンクルを超えるUHECRsの等方性を説明できるか？
• RQ5 モデルが予測する新しい高エネルギーカットオフ（E_Res ≈ 0.6×10^23 eV）は、観測制約および低エネルギー光子に関するEGRET制約とどのように比較されるか？

主な発見

• モデルは、E_ankle ≈ 10^19.0 eV でアンクルを予測し、AGASAの測定値と一致する。
• アンクルを超える領域では、核子が~10^20.0 eV まで支配的になると予測され、それ以上のエネルギーでは光子が支配的になる。
• GZKカットオフエネルギー（~5×10^19 eV）に核子の顕著な蓄積が予測され、AGASAデータで観測されたわずかな過剰と一致する。
• 質量 mν = 0.07 eV の場合、Zボソン共鳴に起因する新しい高エネルギーカットオフ E_Res ≈ 0.6×10^23 eV がモデルで予測される。
• 特にUHEニュートリノが天体的源ではなく、崩壊する超重い粒子から来ると仮定すれば、EGRETが低エネルギー光子に対して設ける制約とモデルは一致する。
• 銀河間磁場が 10^{-9} G 未満でなければ、予測が成立しない。それ以上の磁場では、到達方向分布が歪められるため。