[論文レビュー] Strangelets at Chacaltaya

M. Rybczyński, Z. Włodarczyk+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2000

Asian Geopolitics and Ethnography被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、奇妙なクォーク物質の塊であるとされるストレンジレットが、チアカルタヤの宇宙線データにおいて、大気を深く貫通するため検出可能である可能性を提唱している。クォークレベルの相互作用モデルを用いて、ストレンジレットの大気中をのり抜ける過程をシミュレートした結果、検出に到達可能なのは初期のストレンジレットが質量数 $ A_0 \gtrsim 7A_{\text{crit}} $ ($ A_{\text{crit}} \sim 300-400 $) を有するものに限られ、10 GeV以上のエネルギーで $ 7 \cdot 10^{-6} $ m$^{-2}$ h$^{-1}$ sr$^{-1}$ の予測フラックスが得られ、実験的上限と天体物理学的制約と整合的である。

ABSTRACT

We discuss the possible imprints of strangelets (i.e., lumps of Strange Quark Matter) in Chacaltaya experimental data using model of propagation of such objects through the atmosphere developed by us recently.

研究の動機と目的

• 高高度に位置するチアカルタヤにおける宇宙線実験で、安定なストレンジクォーク物質の塊であるストレンジレットの検出可能性を調査すること。
• 連続する核反応と中性子蒸発に伴う質量減少を考慮した、ストレンジレットが地球の大気中を通過する過程をモデル化すること。
• 特にセントアロスやアラインドファミリーといった異常事象に関連して、被動的核トラック検出器および広大な空気シャワー（EAS）データを用いたストレンジレットの検出可能性を評価すること。
• 予測されたストレンジレットのフラックスおよび質量スペクトルを、実験的上限と宇宙元素の存在割合と照らし合わせ、モデルの妥当性を検証すること。
• ストレンジレットが長時間遅延した中性子や高多重度のミューオンバndl などの異常な宇宙線現象を説明する可能性を検討すること。

提案手法

• 各クォークが標的核のクォークと1対1で相互作用するクォークレベルの相互作用モデルを採用し、衝突ごとにストレンジレットの質量数が $ A_t $ 減少するように設定した。
• 大気中をのり抜ける過程を、改良された SHOWERSIM ソフトウェアを用いてシミュレートし、深さ $ h $ に応じてストレンジレットの質量数 $ A(h) $ が減少する様子を追跡した。$ A_{\text{crit}} \sim 300-400 $ 以下では崩壊が発生するとした。
• 1000 TeV 以上のエネルギーを持つ宇宙線の主成分として、プロトン、鉄、およびストレンジレットを含む、パワー則スペクトル $ F(E) \sim E^{-2.7} $ を仮定した。
• 初期質量数 $ A_0 $ に応じたチアカルタヤにおけるストレンジレットの検出効率を計算し、$ A_0 \gtrsim 7A_{\text{crit}} $ のみが検出可能な信号を発生させることを示した。
• 初期質量数 $ A_0 = 400 $ のストレンジレットが引き起こすEASのハドロンおよびミューオン多重度分布を、プロトンおよび鉄が引き起こすシャワーと比較した。
• チアカルタヤにおけるストレンジレットの期待フラックスを推定し、実験的上限（例：Price [20]）および天体物理学的制約（ビッグバン理論およびダークマターモデル）と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量数 $ A > A_{\text{crit}} \sim 300-400 $ のストレンジレットが、大気を貫通してチアカルタヤで検出可能になるか。
• RQ2 どの初期質量 $ A_0 $ であれば、$ A > A_{\text{crit}} $ の状態でチアカルタヤに到達し、検出可能になるか。また、その場合の検出可能フラックスはどの程度か。
• RQ3 初期質量数 $ A_0 = 400 $ のストレンジレットが引き起こすEASにおけるハドロンおよびミューオンの多重度分布は、プロトンおよび鉄核が引き起こすシャワーと比べてどのように異なるか。
• RQ4 本モデルは、セントアロス、アラインドファミリー、長時間遅延した中性子といった異常な宇宙線事象を説明できるか。
• RQ5 予測されたストレンジレットの質量スペクトル $ A_0^{-7.5} $ は、宇宙における通常の核の存在割合と整合的か。

主な発見

• チアカルタヤで検出可能となるためには、初期質量数 $ A_0 \gtrsim 7A_{\text{crit}} $ ($ A_{\text{crit}} \sim 300-400 $) を有するストレンジレットが必要である。
• 10 GeV 以上のエネルギーで、チアカルタヤにおけるストレンジレットの予測フラックスは $ 7 \cdot 10^{-6} $ m$^{-2}$ h$^{-1}$ sr$^{-1}$ であり、実験的上限と整合的である。
• $ A > A_{\text{crit}} $ のストレンジレットの検出効率は、$ A_0 \gtrsim 1600 $ で著しく向上し、$ A_0 \gtrsim 7A_{\text{crit}} $ では完全な検出が期待できる。
• 初期質量数 $ A_0 = 400 $ のストレンジレットが引き起こすEASは、ハドロンおよびミューオンの多重度分布において、プロトンおよび鉄核が引き起こすシャワーとは明確に異なる特徴を示し、検出可能な特徴としての役割を果たす。
• 本モデルは、一部の異常な空気シャワーにおける緩やかな減衰および複数の極大値の出現、およびセントアロス事象で観測されたハドロン成分とガンマ線成分の極端な不均衡をうまく説明できる。
• 予測されたストレンジレットの質量スペクトル $ N(A_0) \propto A_0^{-7.5} $ は、宇宙における通常の核の存在割合と一致し、モデルの信頼性を高める要因となっている。