[論文レビュー] New physics from ultrahigh energy cosmic rays

S. Sarkar|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2003

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 4被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、GZKカットを超える超高エネルギー宇宙線（UHECR）が、質量約5×10¹² GeVの崩壊するダークマター粒子に起因する可能性を検討し、その崩壊が観測されたスペクトルの硬化および低エネルギーUHECRにおける角度クラスタリングを説明できると提案する。モデルは、銀河中心方向をピークとする検出可能な偏り（非一様性）を予測し、IceCubeおよびRICEの観測と整合する超高エネルギーニュートリノのフラックスを提示しており、標準的な天体物理学的源とは別の現実的な代替案を提供する。

ABSTRACT

Observations of cosmic rays with energies above ~ 4 x 10^{10} GeV have inspired several speculative suggestions concerning their origin. The crucial question is whether or not the spectrum exhibits the expected `GZK cutoff' at this energy -- concerning which there are presently contradictory results. If there is indeed a cutoff, then the sources are cosmologically distant and rather exotic in nature. If there is no cutoff then new physics is required.

研究の動機と目的

• AGASAとHiRes実験の間のGZKカットに関するUHECRスペクトルの不一致を解消すること。
• 6×10¹⁰ GeV未満のエネルギーにおけるUHECRの観測された角度クラスタリングを説明するが、高エネルギーではクラスタリングを示さないようにすること。
• 崩壊するダークマター粒子が、特異な天体物理学的源を必要とせずに、観測されたUHECRスペクトルおよび偏りを再現できるかどうかを検証すること。
• UHE光子およびガンマ線背景観測からの制約を踏まえたモデルの妥当性を評価すること。
• IceCubeやEUSOのような将来の実験で検出可能な超高エネルギーニュートリノフラックスを予測すること。

提案手法

• 質量約5×10¹² GeVの崩壊するダークマター粒子を用いてUHECRスペクトルをモデリングし、高エネルギー陽子への二体崩壊を仮定する。
• NFW、等温、三軸、傾きのあるハロー分布を用いて、銀河ハロー内ダークマターの空間分布に基づきUHECRの角度分布を計算する。
• ハローの形状に敏感な、到達方向のモンテカルロシミュレーションを用いて予想される偏りの振幅と位相を評価する。
• 既知の崩壊分岐比と伝播効果を用いて、同じ崩壊過程から生じるUHEニュートリノフラックスを推定する。
• ダークマター崩壊からの予想される光子スペクトルをEGRETの観測限界と比較し、銀河のラジオ背景の不確実性を補正する。
• 事前カットを用いたモンテカルロテストにより、角度クラスタリングの有意性を評価し、統計的有意性の過大評価を回避する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AGASAデータにおけるGZKカットの欠如とスペクトルの硬化は、天体物理学的源ではなく、崩壊するダークマターによって説明可能か？
• RQ2 E < 6×10¹⁰ GeVにおけるUHECRの観測クラスタリングは物理的起源由来か、統計的ゆらぎか。また、これはダークマター崩壊によって説明可能か？
• RQ3 UHECRが崩壊するダークマターに起因する場合、到達方向における予想される偏りは何か。また、ピエール・オーギュール観測所で検出可能か？
• RQ4 UHE光子およびガンマ線背景に対する観測制約を満たすモデルは可能か？
• RQ5 このような崩壊するダークマターから予想される超高エネルギーニュートリノフラックスは何か。IceCubeやEUSOで検出可能か？

主な発見

• 質量約5×10¹² GeVの崩壊するダークマターモデルは、E_GZKを超えるUHECRスペクトルに良好に適合し、GZKカットを必要とせずにAGASAデータと一致する。
• 角度自己相関関数は2.5°の分離でP_min ≈ 8.4×10⁻⁵のピーク有意度を示すが、モンテカルロテストにより、このようなクラスタリングが偶然に発生する確率は0.35%であると判明し、初期の有意性の主張は弱まる。
• 大きなコア半径を有する等温ハローの場合、予想される偏りの振幅は約0.3であり、最大強度は銀河中心方向を向く。位相を±20°の範囲で解像するには約500個のUHECRが必要である。
• モデルは、IceCubeで年間約10〜40件、RICEでも同程度の数の超高エネルギーニュートリノを予測しており、現在および将来の検出器で検証可能である。
• 銀河ラジオ背景が10倍に増幅されている場合にのみ、モデルは成立するが、これはEGRETによるガンマ線背景限界と整合可能である。
• UHE光子が主成分であると確認された場合、モデルは除外されるが、現在のデータはそのような光子が支配的ではないとしており、ダークマター崩壊仮説を支持する。