[論文レビュー] Sub-GeV Galactic cosmic-ray antiprotons from PBHs in the Randall-Sundrum braneworld

Yuuiti Sendouda, Kazunori Kohri+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2004

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、ランダム・サンズラム分岐宇宙理論における原始的ブラックホール（PBH）が生成する1GeV未塔の銀河系宇宙線反陽子を調査し、反陽子フラックスがAdS半径に反比例することを示しており、4次元に基づくPBHの豊度に対する上限が緩和されることを示している。PBHの豊度が既知の4次元制約を超える場合、矛盾を避けるために、大きな余剰次元（4次元プランク長さの10^20倍以上）が必要となる。今後、約1%の精度で測定される1GeV未塔の反陽子観測によって、4次元と5次元の予測におけるフラックス差を介して分岐宇宙の痕跡を検出できる可能性がある。

ABSTRACT

We investigate cosmic-ray antiprotons emitted from the galactic primordial black holes in the Randall-Sundrum type-2 braneworld. The recent results of the BESS antiproton observation implies the existence of exotic primary sub-GeV antiprotons, one of whose most probable origin is PBHs in Our Galaxy. We show that the magnitude of antiproton flux from PBHs in the RS braneworld is proportional to negative power of the AdS radius, and immediately find that a large extra-dimension can relax upper-limits on the abundance of the Galactic PBHs. If actually there are more PBHs than the known upper-limit obtained in the pure 4D case, they set a lower bound on the size of the extra dimension above at least 10^{20} times 4D Planck-length to avoid inconsistency. On completion of the numerical studies, we show that these constraints on the AdS radius is comparable to those obtained from the diffuse photon background by some of the authors in the previous paper. Moreover, in the low accretion-rate case, only antiprotons can constrain the braneworld. We show that we will detect signatures of the braneworld as a difference between the flux of the antiprotons predicted in 4D and 5D by future observations in sub-GeV region with a few percent precision.

研究の動機と目的

• BESSが観測した特異な1GeV未塔の反陽子の起源を調査し、ランダム・サンズラム分岐宇宙における原始的ブラックホール（PBH）がその源である可能性を評価すること。
• RS分岐宇宙モデルにおける大きな余剰次元の存在が、PBHからの予測される反陽子フラックスに与える影響を特定すること。
• 反陽子フラックスデータを用いて、特にPBHの豊度が4次元に基づく上限を超える場合に、余剰次元のAdS半径に与える制約を導出すること。
• 低降着率の状況において、反陽子のみが分岐宇宙モデルを制約可能かどうかを同定すること。
• 今後の1GeV未塔の反陽子観測が、4次元予測からのずれを検出できる可能性を評価し、分岐宇宙の存在を検証すること。

提案手法

• 歪みのある余剰次元の影響を組み込んだランダム・サンズラム型2次元分岐宇宙におけるPBHのホーキング放射をモデル化する。
• 余剰次元サイズの逆べき乗依存性を用いて、AdS半径の関数としてPBHからの反陽子フラックスを計算する。
• 5次元分岐宇宙モデルにおける予測フラックスを標準的な4次元ケースと比較し、観測可能な差を特定する。
• BESSの反陽子観測データを用いてPBHの豊度を制約し、余剰次元のサイズに下限を導出する。
• フラックススケーリングの妥当性と、先行研究における拡散光子背景制約との整合性を検証するための数値的検討を行う。
• 4次元と5次元のフラックス予測を区別できるよう、今後の1GeV未塔の反陽子測定に必要な精度（約1%）を推定し、分岐宇宙効果の検出可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ランダム・サンズラム分岐宇宙における原始的ブラックホールは、BESSが観測した特異な1GeV未塔の反陽子信号を説明できるか？
• RQ2 大きな余剰次元の存在が、標準的な4次元ケースと比較してPBHからの予測される反陽子フラックスに与える影響は何か？
• RQ3 PBHの豊度が既知の4次元上限を超える場合、その余剰次元のサイズに下限はどの程度与えられるか？
• RQ4 低降着率の状況において、反陽子のみが分岐宇宙モデルを制約可能か？
• RQ5 今後、約1%の精度で測定される1GeV未塔の反陽子観測によって、4次元と5次元の予測を区別でき、分岐宇宙の痕跡を検出できるか？

主な発見

• RS分岐宇宙におけるPBHからの反陽子フラックスは、AdS半径に反比例しており、より大きな余剰次元はフラックスを抑制することを示唆している。
• PBHの豊度が4次元上限を超える場合、観測と矛盾を避けるために、余剰次元は少なくとも4次元プランク長さの10^20倍以上である必要がある。
• 反陽子フラックスから導かれるAdS半径の制約は、先行研究における拡散光子背景研究から得られたものと同程度の大きさである。
• 低降着率の状況では、反陽子が分岐宇宙モデルを制約するための唯一の実用的プローブとなる。
• 今後の1GeV未塔の反陽子観測で数パーセントの精度があれば、4次元と5次元の予測におけるフラックス差を検出でき、分岐宇宙の存在を直接証明できる可能性がある。