[論文レビュー] Particle Physics at Ultrahigh Energies

Glennys R. Farrar|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、QCDの非弾性断面積が標準モデルとは異なり、60 TeV以上の中心系エネルギーでより急速に増加する場合、超高エネルギー宇宙線（UHECR）シャワーを純粋な陽子組成で一貫して説明可能であると提唱している。さらに、未探索の運動的領域における粒子比のわずかな修正が、長年のヘドロン相互作用モデルにおけるミューオン不足を解消でき、調整された混合組成状態とは対照的に現象論的に妥当な代替案を提供することを示している。

ABSTRACT

We explore particle physics beyond accelerator energies, motivated by questions exposed in astroparticle physics observations: 1) Are there reasonable modifications to the standard extrapolations of LHC-tuned hadronic interaction models, so that ultrahigh energy cosmic ray (UHECR) showers are well-described with a purely protonic primary composition rather than requiring a tuned, energy-dependent composition mixture as needed in conventional models? 2) What modifications to standard models can solve the deficiency in the predicted ground signal found in hybrid UHECR observations? We find that a pure proton composition provides an excellent fit to shower observations, if the QCD inelastic cross section increases more rapidly above $E_{ m cm} \approx 60$ TeV than in conventional models, and speculate as to possible reasons this may happen; the "muon deficiency" can be cured by relatively minor modifications to particle ratios in unexplored kinematic regimes below and above LHC energies.

研究の動機と目的

• 純粋な陽子的UHECR組成が、エネルギー依存性の変化を伴う核混合の調整を必要とせずに、観測されたシャワー発達および$X_{\rm max}$分布を再現できるかどうかを調査すること。
• 現在のヘドロン相互作用モデル（HEGs）における持続的なミューオン不足を、未探索の運動的領域における粒子比の修正によって解消する方法を同定すること。
• 新たな物理現象、例えば強化された前向き散乱や屈折率効果が、UHECRシャワー観測における乖離を説明できるかどうかを検討すること。
• QCD・チェレンコフ放射や他の新しい相互作用が、超高エネルギーにおける有効な非弾性断面積の増大をもたらすメカニズムとして実現可能かどうかを評価すること。

提案手法

• 標準モデルとは異なり、$E_{\rm cm} \approx 60$ TeVを超える領域でより急速に増加するQCD非弾性断面積を提案し、光学定理と前向き散乱振幅を用いて、これが有効な屈折率に相当することを示す。
• 光学定理を用いて全断面積と前向き散乱振幅を関連付け、空気中の屈折率について$ n-1 \approx \rho \sigma_{\rm tot} / s $ を導出する。
• 軽いスピン2粒子の$t$チャネル交換を検討し、$\sigma_{\rm el} \sim s$ の振る舞いを生成し、大気中でチェレンコフ放射に類似した放射を引き起こす可能性を検討する。
• このようなメカニズムによるエネルギー損失と放射コーンを評価し、$\sim 10^{18.5}$ eVで有効な非弾性断面積の増大を模倣できることを示す。
• 屈折率$n > 1$のとき、高エネルギー$\gamma$における$\pi^0$崩壊の抑制を分析し、これがミューオン生成の減少をもたらし、ミューオン不足の解消に寄与することを示す。
• 強化された断面積と$\pi^0$崩壊の抑制を組み合わせることで、純粋な陽子を用いたUHECRシャワーの自己整合的モデルを構築する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 純粋な陽子的UHECR組成が、混合組成を必要とせずに、$\langle X_{\rm max} \rangle$の観測されたエネルギー依存性および$X_{\rm max}$の標準誤差の減少を再現できるか？
• RQ2 LHCエネルギーよりも高いエネルギー領域における素粒子物理学モデルのどの修正が必要か、現在のヘドロン相互作用ジェネレータにおけるミューオン不足を解消できるか？
• RQ3 強化された前向き散乱に起因する空気中の大きな屈折率（$n > 1$）が、チェレンコフ放射や有効な断面積増大といった観測可能な効果を引き起こす可能性があるか？
• RQ4 QCD・チェレンコフ放射は、超高エネルギーにおける非弾性断面積の増大を説明する有効なメカニズムとなり得るか？また、それが新しい物理に課す制約は何か？
• RQ5 高ローレンツ因子における$\pi^0$崩壊の抑制が、UHECRシャワーにおけるミューオン不足を説明できるか？

主な発見

• QCD非弾性断面積が標準モデルとは異なり、$E_{\rm cm} \approx 60$ TeVを超える領域でより急速に増加する場合、純粋な陽子組成が$X_{\rm max}$データに非常に良好に適合する。
• 観測された$X_{\rm max}$分布およびそのエネルギー依存性は、軽い核から重い核への徐々な移行を必要とせず説明可能であり、天体物理学的伝播制約との矛盾を解消する。
• 現在のヘドロン相互作用ジェネレータにおけるミューオン不足は、LHCエネルギーよりも低い・高い運動的領域における粒子比のわずかな修正により解消可能である。
• 前向き散乱の強化に起因する屈折率$n > 1$の仮説的状態は、$\sim 10^{18.5}$ eVでチェレンコフに類似した放射を引き起こし、有効な非弾性断面積の増大を模倣する可能性を秘めている。
• $n > 1$のとき高エネルギー$\gamma$における$\pi^0$崩壊の抑制は、ミューオン生成の減少をもたらすメカニズムを提供し、ミューオン不足の解決策となる。
• QCD・チェレンコフ放射が有効であるためには、57 TeVにおける観測された非弾性断面積の約8×10⁴倍の断面積が必要となるため、標準QCD内では現実的ではない。