[論文レビュー] The rise and fall of top-down models as main UHECR sources

M. Kachelrieß|ArXiv.org|Oct 16, 2008

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

ひとこと要約

本稿は、上向きモデルが超高エネルギー宇宙線（UHECR）の源である可能性を検討し、超重い暗黒物質（SHDM）およびトポロジカルデフェクト（TD）が、高質量粒子の崩壊によってUHECRを生成すると提案している。AGASAの過剰反応に起因する初期の動機付けにもかかわらず、現在の観測的制約、特にUHEニュートリノおよび光子探索からの制約により、これらのモデルは部分的寄与に限られ、SHDMは銀河境界の非一様性および拡散ガンマ線背景から制約を受ける。

ABSTRACT

The motivation and the current status of top-down models as sources of ultrahigh energy cosmic rays (UHECR) are reviewed. Stimulated by the AGASA excess, they were proposed as the main source of UHECRs beyond the GZK cutoff. Meanwhile searches for their signatures have limited their contribution to the UHECR flux to be subdominant, while the theoretical motivation for these searches remained strong: Topological defects are a generic consequence of Grand Unified Theories and superheavy particles are a creditable dark matter candidate. While Fermi/GLAST results should help to improve soon bounds on topological defects from the diffuse gamma-ray background, the most promising detection method are UHE neutrino searches. Superheavy dark matter can be restricted or detected by its characteristic galactic anisotropy combined with searches for UHE photons.

研究の動機と目的

• GZKカットオーバーを越えてUHECRの主な源としての上向きモデル（特に超重い暗黒物質（SHDM）およびトポロジカルデフェクト（TD））の妥当性を評価すること。
• UHEニュートリノ、光子、および拡散ガンマ線背景データからの現在の観測的制約をこれらのモデルに適用すること。
• 南半球の実験を活用して、UHECR到着方向における銀河非一様性からSHDMを検出可能なシグナルが得られるかを調査すること。
• UHECRスペクトルおよび非一様性データを踏まえて、上向きモデルの予測力と下向き加速メカニズムを比較すること。
• ニュートリノ、光子、非一様性パターンの複数のシグナルを組み合わせることで、SHDMおよびTDモデルに対する感度が向上するかを同定すること。

提案手法

• AGASAの過剰反応およびグランドユニフィケーション理論などの理論的枠組みに起因する、10^12から数×10^13 GeVの質量を有する超重い粒子（X）の崩壊に起因するUHECRを想定する上向きモデルを分析する。
• 素粒子物理学モデルから導かれるエネルギースペクトルおよび注入率を用いて、X粒子のハドロン化および崩壊によって生成される陽子、光子、ニュートリノのフラックスを評価する。
• EGRETおよびFermi/GLASTデータからの拡散ガンマ線背景を用いて、特に電磁気的カスケード生成を通じて、トポロジカルデフェクトモデルに制約を課す。
• PAOおよびRICEによるUHEニュートリノ非観測を用いてニュートリノフラックスを制約し、PAOの限界はE^2 j_ν(E)について以前の境界より約10倍改善されている。
• 太陽が銀河中心からずれていることによるSHDMフラックスの銀河的非一様性をモデル化し、1–3 EeVにおける角度調制の振幅が約2%であると予測する。
• PAOの非一様性限界（95%信頼水準で1 EeVで<1.7%、3 EeVで<3.2%）を光子およびニュートリノの境界と組み合わせることで、SHDMに対する競争的な制約を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超重い暗黒物質（SHDM）は、GZKカットオーバーを越えて観測されたUHECRフラックスのどの程度を説明できるか？
• RQ2 拡散ガンマ線背景およびUHEニュートリノ探索からの制約は、トポロジカルデフェクトモデルのパrameter空間をどの程度制限するか？
• RQ3 UHECR到着方向における銀河的非一様性は、SHDMの検出に有効なシグナルを提供できるか？また、現在の実験からの非一様性限界と比較してどうか？
• RQ4 上向きモデルは全UHECRフラックスにどの程度寄与しているか？また、下向き加速メカニズムと比較してどうか？
• RQ5 光子、ニュートリノ、非一様性パターンの併用探索により、個々のシグナルを上回る感度がSHDMに達するか？

主な発見

• 上向きモデルは、初期のAGASAの過剰反応に起因する動機付けにもかかわらず、現在の観測的制約によりUHECRフラックスへの寄与は部分的であると制限されている。
• PAO協会によるν_τイベントのUHEニュートリノ限界は、E^2 j_ν(E)について、以前のRICE境界を約10倍改善しており、拡散ガンマ線のEGRET境界と同等の水準に達している。
• 観測されたUHECRスペクトルに適合するパrametersを持つSHDMモデルは、1–3 EeVにおける最初のレイリー調和成分で約2%の非一様性振幅を予測し、PAOの95%信頼水準の上限（1 EeVで1.7%、3 EeVで3.2%）と整合的である。
• Fermi/GLASTからの拡散ガンマ線背景は、トポロジカルデフェクトモデルに対する制約を厳しくする見込みであるが、現在の限界は過去の分析と同等の水準にとどまっている。
• 拡散ガンマ線背景およびUHECR非一様性データからの光子境界は、SHDMに対して競争的な制約を提供しており、低エネルギー領域では非一様性データの感度がより高い可能性がある。
• 上向きモデルにおける高い光子対核子比はUHE光子吸収によって低下するが、電磁気的カスケードがエネルギーを拡散ガンマ線背景に移すため、これが主要な観測的チャネルとなる。