[論文レビュー] High Energy Neutrinos, Photons and Cosmic Rays from Non-Scaling Cosmic Strings

U. F. Wichoski, Jane H. MacGibbon+1 more|arXiv (Cornell University)|May 22, 1998

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、Vincentら（VHS）が提唱した非スケーリングの弦状態における、崩壊する宇宙のひもから生じる高エネルギーニュートリノ、光子、宇宙線フラックスを調査している。粒子放出がエネルギー損失の主因であるという前提のもと、現在の観測結果は、特にジェット崩壊から生じる二次的なミューオンおよび電子ニュートリノを考慮した場合、弦モデルのパラメータ空間の大部分をすでに除外している。

ABSTRACT

Decaying topological defects, in particular cosmic strings, can produce a significant flux of high energy neutrinos, photons and cosmic rays. According to the prevailing understanding of cosmic string dynamics in an expanding Universe, the network of long strings loses its energy first into string loops, which in turn give off most of their energy as gravitational radiation. However, it has recently been suggested by Vincent et al. (VHS) that particle emission may be the dominant energy loss channel for the long string network. In this case, the predicted flux of high energy particles would be much larger. Here we calculate the predicted flux of high energy gamma rays, neutrinos and cosmic ray antiprotons and protons as a function of the scale of symmetry breaking at which the strings are produced and as a function of the initial energy of the particle jets which result from the string decay. Assuming the validity of the VHS scenario, we find that an interesting domain of the parameter space of string models is already excluded by current observations. A new aspect of our work is the computation of the secondary muon and electron neutrinos fluxes resulting from muon decay in the particle jets.

研究の動機と目的

• 非スケーリングの宇宙のひも状態（VHS）が、検出可能な高エネルギー粒子フラックスを生成できるかを評価すること。
• VHSフレームワークのもとで、崩壊する宇宙のひもから生じる高エネルギーガンマ線、ニュートリノ、陽陽子のフラックスを計算すること。
• 弦の崩壊によって生成される粒子ジェット内でのミューオン崩壊から生じる二次的ニュートリノの寄与を評価すること。
• 現在の高エネルギー粒子フラックスに関する観測上限を用いて、宇宙のひものモデルのパラメータ空間を制約すること。

提案手法

• VHS状態に従い、重力放射ではなく粒子放出による長大な宇宙のひものエネルギー損失をモデル化すること。
• 対称性の破れのスケールと初期ジェットエネルギーに基づいて、高エネルギー粒子（ガンマ線、ニュートリノ、陽陽子）のフラックスを計算すること。
• 粒子ジェット内で生成されたミューオンの崩壊を組み込み、ミューオンおよび電子ニュートリノの二次的フラックスを計算すること。
• 高エネルギーニュートリノおよび光子フラックスに関する観測上限を用いて、モデルパラメータを制約すること。
• 標準模型の素粒子物理学および天体物理学的輸送モデルを用いて、粒子フラックスが銀河間空間を通過する際の伝搬と減衰を扱うこと。
• 予測されたフラックスをニュートリノおよびガンマ線観測所からの既存のデータと比較し、パラメータ空間の除外領域を特定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非スケーリングのVHS状態における、崩壊する宇宙のひもから予測される高エネルギーガンマ線、ニュートリノ、宇宙線陽陽子のフラックスは何か？
• RQ2 弦の崩壊ジェット内でのミューオン崩壊から生じる二次的ニュートリノは、総ニュートリノフラックスにどの程度寄与するか？
• RQ3 現在の観測データによって、対称性の破れスケールおよびジェットエネルギーを含む宇宙のひもパラメータ空間のどの領域が除外されるか？
• RQ4 弦のエネルギー損失において粒子放出が重力放射を上回る場合、宇宙のひもの検出可能性にどのような影響を与えるか？
• RQ5 多メッセンジャーのフラックス予測と現在の高エネルギー天体物理学的観測を組み合わせることで、宇宙のひもモデルにどの程度の制約を課せられるか？

主な発見

• 粒子放出が宇宙のひものエネルギー損失の主因であるVHS状態では、従来の仮定よりもはるかに高い高エネルギー粒子フラックスが生じる。
• 現在の高エネルギーニュートリノおよび光子フラックスに関する観測上限は、VHS状態下での宇宙のひもモデルのパラメータ空間の大部分をすでに除外している。
• 粒子ジェット内でのミューオン崩壊から生じる二次的ニュートリノは、特にテラエレクトロンボルト（TeV）からペタエレクトロンボルト（PeV）のエネルギー範囲で、総高エネルギーニュートリノフラックスに有意な寄与を示している。
• 宇宙線陽陽子のフラックスについても観測によって制約が加えられており、これにより妥当な弦モデルのパラメータがさらに制限されている。
• ガンマ線、ニュートリノ、陽陽子の組み合わせによる制約は、多くの弦モデル設定においてVHS状態を極めて不適切なものとしている。
• 本研究では、現在のデータと整合的であり得る、観測可能なわずかなパラメータ空間の窓を同定した。