[論文レビュー] Massive relic neutrinos in the galactic halo and the knee in the cosmic ray spectrum

M.T. Dova, J.D. Swain+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2001

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、銀河ハロー内の高質量なリリックニュートリノと陽子の非弾性衝突が、磁気双極子モーメントを介して媒介されるとして、約10^15.5 eVにおける宇宙線スペクトルの「膝」が生じることを提案する。このモデルは、ニュートリノ質量が約100 eV、磁気モーメントが(5.4±0.6)×10⁻⁶ μBであると仮定することで、KASCADEのデータを再現し、スペクトルの硬化と鋭いカットオフを新たな説明で提示する。

ABSTRACT

Despite many efforts to find a reasonable explanation, the origin of the "knee" in the cosmic ray spectrum at energy around 10**15.5 eV remains mysterious. In this letter we suggest that the "knee" may be due to a GZK-like effect of cosmic rays interacting with massive neutrinos in the galactic halo. Simple kinematics connects the location of the "knee" with the mass of the neutrinos, and, while the required interaction cross section is larger than that predicted by the Standard Model, it can be accommodated by a small neutrino magnetic dipole moment. The values for the neutrino parameters obtained from the analysis of existing experimental data are compatible with present laboratory bounds.

研究の動機と目的

• 標準モデルが説明できない約10^15.5 eVにおける宇宙線スペクトルの未解明な「膝」を説明すること。
• 銀河ハロー内の高質量なリリックニュートリノが、非弾性衝突を通じて宇宙線にエネルギー損失を引き起こす可能性を調査すること。
• 非ゼロのニュートリノ磁気双極子モーメントが、観測されたスペクトル特徴を生じるのに十分な断面積を増幅させることの可能性を検証すること。
• 必要なニュートリノパラメータが、既存の実験的制約および宇宙論的制約と整合するかを検証すること。

提案手法

• CMB光子を銀河ハロー内の高質量ニュートリノに置き換えたGZKメカニズムを、陽子-ニュートリノ相互作用に適応する。
• 磁気双極子結合項κ/(2mν)σμνqνを含む、パラメータ化された準弾性陽子-ニュートリノ散乱断面積を用いる。
• 10 kpcのコアを持つ球殻型密度分布を用いて、高質量ニュートリノの重力的クラスタリングをモデル化し、mν = 100 eVのときnν ≈ 1.4×10⁸ cm⁻³が得られる。
• ニュートリノ密度と断面積を組み込んだ数値的解法により、エネルギー損失率式dE/dt = (c/γ)∫K(w₀)σ(w₀)n dw₀を解く。
• エネルギー損失、拡散、注入を含む宇宙線伝播の拡散反応方程式を用い、力の法則的源項Q ∝ E⁻γを導入する。
• KASCADEデータに適合させるために、プロトン（60%）と鉄（40%）の混合組成を仮定し、κおよび滞在時間を調整する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河ハロー内の高質量リリックニュートリノと宇宙線陽子の非弾性衝突が、宇宙線スペクトルの鋭い「膝」を説明できるか？
• RQ2 観測された約10^15.5 eVにおけるスペクトルカットオフを再現するためのニュートリノ質量および磁気双極子モーメントの値は何か？
• RQ3 必要な相互作用断面積は、現在のニュートリノ磁気モーメントに関する実験的制約と整合するか？
• RQ4 モデルは、特にスペクトル硬化における軽い原子核の優位性を同時に説明できるか？
• RQ5 重力的クラスタリングおよびハロー密度分布が、ニュートリノ数密度およびエネルギー損失率に与える影響は何か？

主な発見

• 3×10⁸年間の滞在時間のもとで、最良の適合磁気双極子モーメントは(5.4±0.6)×10⁻⁶ μBであり、このモデルはKASCADEデータの「膝」周辺を再現する。
• pion生成が陽子-ニュートリノ衝突におけるΔ共鳴を介して可能になるようにするため、ニュートリノ質量は約100 eVである必要がある。
• mν = 100 eVのとき、銀河ハロー内の必要なニュートリノ密度は約1.4×10⁸ cm⁻³に達し、位相空間的およびパウリ排他原理の制約と整合的である。
• 「膝」の鋭さは、滑らかな拡散や銀河モodulationモデルでは説明できないため、非弾性相互作用メカニズムを支持する。
• 鉄スペクトルにおいて10^17 eV以上で「第二の膝」が予測され、これは類似のエネルギー損失プロセスと一致する可能性がある。
• 導出されたパラメータは現在の加速器限界（5×10⁻⁷ μB）の範囲内にあり、将来的な実験的検証が可能である。