[論文レビュー] Signatures of exotic physics in antiproton cosmic ray measurements

Piero Ullio|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 1999

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、高エネルギーの反陽子スペクトルが、特に不均一なダークマター銀河の中性子の消失から生じるエキゾチックな物理学の痕跡を明らかにできる可能性を提案している。反陽子の寿命が0.15 Myrという短い場合ですら、近い将来の実験で検証可能な予測を提供する、明確なスペクトル的特徴が特定された。

ABSTRACT

More than a decade ago it was noticed that an unexpectedly large value of the measured cosmic antiproton flux at low kinetic energies could be interpreted in terms of a neutralino-induced component. An overproduction of low energy antiprotons seems however to be disfavoured by recent data from the BESS experiment. The strategy we propose here is to focus instead on the high energy antiproton spectrum. We find cases in which the signal from neutralino annihilations in a clumpy halo scenario can be unambiguously distinguished from the cosmic ray induced component. Such signatures can be tested in the near future by upcoming experiments. We investigate also the possibility that antiprotons have a finite lifetime. We find cases in which the neutralino-induced flux is consistent with present data for a lifetime as low as 0.15 Myr, in clear violation of a recent bound derived from the antiproton cosmic ray flux.

研究の動機と目的

• 高エネルギーの反陽子スペクトルが、通常の宇宙線背景とエキゾチックな物理学の信号を区別できるかどうかを調査すること。
• 反陽子フラックスデータを用いて、不均一なハロー構造における中性子のダークマターの妥当性を評価すること。
• 有限な反陽子寿命が、中性子由来のフラックスと観測データの整合性に与える影響を検討すること。
• 近い将来の実験で検証可能な明確なシグナルを特定すること。

提案手法

• 不均一なダークマター銀河における中性子の消失をモデル化し、高エネルギーの反陽子フラックスを予測すること。
• 予測されたエキゾチック成分と、通常の宇宙線由来の反陽子フラックスを比較すること。
• BESS実験の低エネルギー反陽子データを用いて、低エネルギー反陽子の過剰生成を制約すること。
• 有限な反陽子寿命がフラックスの整合性に与える影響を分析し、0.15 Myrの下限を考慮すること。
• 高エネルギー領域における偏差を検出するためのスペクトル解析を実施すること。
• これらのシグナルが近い将来の宇宙空間実験で検出可能かどうかを評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高エネルギーの反陽子スペクトルは、中性子の消失信号と宇宙線由来の背景を明確に区別できるか？
• RQ2 不均一なダークマター銀河の構造が、中性子の消失に起因する予想される反陽子フラックスに与える影響は何か？
• RQ3 BESS実験は、中性子モデルにおける低エネルギー反陽子の過剰生成にどのような制約を課すか？
• RQ4 有限な反陽子寿命が、中性子由来のフラックスと現在のデータとの整合性に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ5 将来の実験が検出可能な反陽子測定におけるエキゾチックな物理学のテスト可能なシグナルは何か？

主な発見

• 不均一なハロー構造の下では、高エネルギー反陽子スペクトルに中性子の消失信号と宇宙線背景を明確に区別できる特徴が現れる。
• 反陽子寿命が0.15 Myrという短い場合ですら、中性子由来の反陽子フラックスは現在の観測データと整合的であり、反陽子フラックスから導かれた最近の制約とは矛盾する。
• モデルは、高エネルギー反陽子測定が低エネルギーデータよりもエキゾチックな物理学に敏感であることを示しており、低エネルギーデータはBESSによって制約されている。
• エキゾチック成分のスペクトル形状は、通常成分と顕著に異なり、明確な識別が可能である。
• 研究結果は、近い将来の実験がこれらのシグナルを検証できる可能性を示唆している。
• 本研究は、高エネルギー反陽子観測を通じて中性子のダークマターを調査するための実用的なフレームワークを提供している。