[論文レビュー] Super-heavy X particle decay and Ultra-High Energy Cosmic Rays

Cyrille Barbot|ArXiv.org|Aug 4, 2003

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 80被引用数 3

ひとこと要約

本学位論文は、最小超対称標準模型（MSSM）内での超重いX粒子（最大で約10^16 GeV）の崩壊をモデル化する包括的な計算フレームワークを提示する。QCD色一致を修正先行対数近似（MLLA）を用いて取り入れ、エネルギー保存則を千分の一レベルの精度で保証している。主な貢献は、安定した最終状態（例：LSP、光子、ニュートリノ、陽子）に崩壊するMSSMの（超）粒子に対する完全なフラグメンテーション関数のセットを提供することであり、超高エネルギー宇宙線（UHECR）のトップダウンモデルにおける高精度な予測を可能にする。

ABSTRACT

In this thesis, I describe in great detail the physics of the decay of any Super-Heavy X particle (with masses up to the grand unification scale ~ 10^16 GeV and possibly beyond), and the computer code I developed to model this process - which currently is the most complete available one. The general framework for this work is the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM). The results are presented in the form of fragmentation functions of any (s)particle of the MSSM into any final stable particle (proton, photon, electron, three types of neutrino, lightest superparticle LSP) at a virtuality Q = M_X, over a scaled energy range x = 2E/M_X in [10^{-13}, 1]. At very low x values, color coherence effects have been taken into account through the Modified Leading Log Approximation (MLLA). The whole process is explicitely shown to conserve energy with a numerical accuracy up to a few part per mille, which allows to make quantitative predictions for any N-body decay mode of any X particle. I then apply the results to the old - and yet unsolved - problem of Ultra High Energy Cosmic Rays (UHECRs). In particular, I provide quantitative predictions of generic ``top-down'' models for the neutrino and neutralino fluxes which could be observed in the next generation of detectors.

研究の動機と目的

• MSSMフレームワーク内での超重いX粒子（最大でグランドユニフィケーションスケール、約10^16 GeV）の崩壊を、完全かつ正確に数値的にモデル化すること。
• トップダウン崩壊モデルによる長年の超高エネルギー宇宙線（UHECR）問題を、定量的予測を提供することで解決すること。
• すべてのN体崩壊モードにおいて、エネルギー保存則の数値的精度を千分の一レベルに保証すること。
• 低エネルギー割合（x ≈ 10^{-13}）における非摂動的QCD効果（色一致）を、修正先行対数近似（MLLA）を用いて取り入れること。
• 仚粒子が仮想的エネルギーQ = M_Xにおいて安定最終状態（陽子、光子、電子、3種類のニュートリノ、LSP）に崩壊する際のフラグメンテーション関数を生成・提示すること。

提案手法

• 超重いX粒子のMSSM内での多粒子カスケード崩壊をシミュレートするためのカスタムコンピュータコードの開発。
• 低エネルギー割合（x ≈ 10^{-13}）における色一致効果を扱うために、修正先行対数近似（MLLA）の実装。
• すべての可能なN体最終状態における崩壊振幅の数値的統合を行い、エネルギー保存則を千分の数パーセント以内に保証。
• すべてのMSSM（超）粒子が安定最終生成物（陽子、光子、電子、3種類のニュートリノ、LSP）に崩壊する際のフラグメンテーション関数D_i(x, M_X)の計算。
• 高エネルギーおよび低エネルギーの断片をカバーするため、[10^{-13}, 1]の範囲でスケーリングされたエネルギー変数x ≡ 2E/M_Xの使用。
• すべての崩壊モードにおけるエネルギー保存則の検証を行い、UHECRフラックスの信頼できる定量的予測を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超重いX粒子（最大で約10^16 GeV）の崩壊を、MSSMにおいてQCD効果とエネルギー保存則を含めて正確にモデル化する方法は何か？
• RQ2 仮想的エネルギーQ = M_XにおけるすべてのMSSM（超）粒子が安定最終状態（例：LSP、光子、ニュートリノ）に崩壊する際のフラグメンテーション関数は何か？
• RQ3 低x（x ≈ 10^{-13}）における色一致効果が、トップダウンUHECRモデルにおける崩壊生成物のエネルギー分布に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ4 UHECRフラックス予測に於いて千分の一レベルの精度で、数値的に安定かつエネルギー保存を満たすN体崩壊のシミュレーションを達成できるか？
• RQ5 次世代のUHECR実験で検出可能となる可能性のある高エネルギーニュートリノおよびニュートリノの予想フラックスは何か？

主な発見

• 開発されたコードは、MSSM内での超重いX粒子崩壊をシミュレートするための、現在最も包括的かつ正確なものであり、エネルギー保存則が千分の数パーセント以内に維持されている。
• すべてのMSSM（超）粒子が安定最終状態（陽子、光子、電子、ニュートリノ、LSP）に崩壊する際のフラグメンテーション関数が、xの全範囲[10^{-13}, 1]で計算された。
• 低xにおける色一致効果は、修正先行対数近似（MLLA）を用いて成功裏にモデル化されており、低エネルギー領域におけるフラグメンテーション関数の形状に影響を与えている。
• 本モデルにより、特に高エネルギーニュートリノおよびニュートリノのトップダウン崩壊シナリオからのUHECRフラックスに対する定量的予測が可能になった。
• 第3世代レプトンおよびスレプトン（例：τ_L, τ_R, ~τ_L, ~τ_R）のフラグメンテーション関数に現れる構造は、2体崩壊の運動学的性質から生じており、計算された曲線によって確認された。
• 本フレームワークは、UHECRのトップダウンモデルを検証するための堅牢な基盤を提供し、近い将来の宇宙線観測所での検出可能なフラックスについての具体的な予測を可能にする。