[論文レビュー] Testing Brane World Models with Ultra High Energy Cosmic Rays

H. Ziaeepour|ArXiv.org|Mar 18, 2002

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、超高エネルギー宇宙線（UHECR）を用いて、5次元ブレーン・ワールド・モデルの妥当性を検証する。粒子が余剰次元に到達するまでの時間遅れを分析することで、時間コherー二ンスがUHECR空気シャワーに及ぼす影響を検討し、その結果、多くのパラメータ空間が除外されることを示している。これは、UHECRのエネルギー域を超える高エネルギーで場が対称性によって保護されていない限り、5次元ブレーン・ワールド・モデルの多くが成立しないことを意味する。この結果は、小さな宇宙定数と階層問題の間の深いつながりを強化する。

ABSTRACT

The arrival time coherence of particles in the Ultra High Energy Air Showers where the center of mass energy of the interaction is of the order of $10^{15} eV$, puts strict constraint on the propagation of particles in a hypothetical extra-dimension. We first argue that at such high energies bulk modes and massive KK-modes can be produced abundantly and in many models their phase space volume is larger than confined modes. Then, we study the minimum propagation time in one and two-brane models and show that a large part of the parameter space of these models are ruled out unless the confinement of fields is proteced by symmetries up to energies not accessible even to the high energy tail of Ultar High Energy Cosmic Rays (UHECRs). As a by-product we confirm the result obtained in some previous works about the close relation between a small Cosmological Constant and the hierarchy problem.

研究の動機と目的

• 超高エネルギー宇宙線（UHECR）空気シャワーを用いて、大規模な余剰次元を有するブレーン・ワールド・モデルの妥当性を評価すること。
• UHECR空気シャワーの時間コherー二ンスが、粒子の余剰次元への伝播を制約できるかどうかを調査すること。
• 観測されたシャワー時間の整合性を満たす1-braneおよび2-braneモデルのパラメータ空間を特定すること。
• ブレーン・ワールド・スケナリオにおける小さな宇宙定数と階層問題の関係を探索すること。

提案手法

• 余剰次元を有する歪みのある5次元ブレーン・ワールド・モデルにおける古典的粒子伝播を分析し、バルク内での最小伝播時間に注目する。
• 歪んだ計量を持つ5次元バルクにおける測地線方程式を用いて、粒子の軌道と余剰次元の運動に起因する時間遅れを計算する。
• 粒子が余剰次元を通過する際に顕著な遅れが生じる場合、空気シャワーにおける時間コherー二ンスが破壊されることを前提とする。
• 1-braneおよび2-braneモデル（ランダール＝サンズモデルおよびその変種）を検討し、コンactificationスケールやバルクゲージ粒子質量の違いを考慮する。
• ブレーンの張力が非ゼロである場合やバルクの非定常な構成が伝播時間に与える影響を評価する。
• 理論的伝播遅れを、現在の空気シャワー検出器の到着時刻分解能と比較し、観測的制約を設定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UHECR空気シャワーの時間コherー二ンスは、ブレーン・ワールド・モデルにおける大規模な余剰次元の存在を制約できるか？
• RQ2 5次元ブレーン・ワールド・モデルにおける粒子がバルクに到達する最小伝播時間は何か？ また、それは検出器の分解能と比較してどうなるか？
• RQ3 1-braneおよび2-braneモデルにおける、UHECR時間制約を満たすパラメータ空間の領域はどこか？
• RQ4 高エネルギーで場の閉じ込めを保護する対称性は、ブレーン・ワールド・モデルの妥当性にどのように影響するか？
• RQ5 これらのモデルにおいて、小さな宇宙定数と階層問題の間にはどのような関係があるか？

主な発見

• UHECRのエネルギー域を超える高エネルギーで場が対称性によって保護されていない限り、5次元ブレーン・ワールド・モデルの大部分のパラメータ空間は、UHECR空気シャワーの時間コherー二ンスによって除外される。
• ほとんどの2-braneモデルにおいて、観測可能な時間遅れを避けるためには、コンactificationスケールμが約1 eV以上である必要がある。これは加速器実験からの制約よりもはるかに強い制約である。
• 余剰次元のサイズLはL ≲ 10⁻⁸ cmに制限され、重力実験からの制限よりもはるかに小さい。
• 元来のランダール＝サンズモデルでは、μ ≳ 10⁻² eVが必要であり、直接的なコライダー探索よりもきつい制約が得られる。
• この研究は、小さな宇宙定数と階層問題の間の深い関係を確認し、一貫性を保つには微調整が必要であると示唆している。
• 5次元プランクスケールM₅が興味深い値を取る1-braneモデルは、高エネルギーで追加の保護機構が存在しない限り除外される。