[論文レビュー] Ultra-High Energy Cosmic Rays: a Window to Post-Inflationary Reheating Epoch of the Universe?

V.A. Kuzmin, V. A. Rubakov|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 1997

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 23

ひとこと要約

この論文は、インフレーション後の再加熱期に生成された超重く長寿命なX粒子の崩壊から、GZKカットオフを超える超高エネルギー宇宙線（UHECR）が発生する可能性を提唱している。非アーベルゲージ模型におけるインスタントン誘導崩壊機構を用いて、このような崩壊が硬いレプトンを伴う平坦で多粒子シャワーを生成できることを示し、UHECRと再加熱期を結びつけるとともに、他のトップダウンモデルとは異なる検証可能なシグネチャを提供する。

ABSTRACT

We conjecture that the highest energy cosmic rays beyond the Greisen-Zatsepin-Kuzmin cut-off may provide a unique window into the very early epoch of the Universe, namely, that of reheating after inflation, provided these cosmic rays are due to decays of parent superheavy long-living X-particles. These particles may constitute a considerable fraction of cold dark matter in the Universe. We argue that the unconventionally long lifetime of the superheavy particles, which should be in the range of $10^{10} - 10^{22}$ years, might require novel particle physics mechanisms of their decays, such as instantons. We propose a toy model illustrating the instanton scenario. Generic expected features of ultra-high energy extensive air showers in our scenario are similar to those of other top-down scenarios. However, some properties of the upper part of the cosmic ray spectrum make the instanton scenario distinguishable, at least in principle, from other ones.

研究の動機と目的

• GZKカットオフを超えるUHECRが、インフレーション後の再加熱期を調べる手がかりとして機能しうるかを検討すること。
• 寿命が10^10–10^22年である超重く長寿命なX粒子を生成する宇宙論的・素粒子物理学的課題を扱うこと。
• 標準的な高次元オペレーターを避けるために、X粒子の長寿命を説明するメカニズム（インスタントン誘導崩壊）を提唱すること。
• SU(2)_Xゲージ対称性を持つトロイモデルを通じて、観測されたUHECRスペクトルとダークマターの組成が再加熱温度とどのように関連するかを結びつけること。
• 多粒子ジェットや硬いレプトンといった特徴的なシャワーフィーチャーを通じて、他のトップダウンモデルとこのシナリオを区別すること。

提案手法

• 左ラベルのダブルットX, Yと右ラベルのシングレットを含むSU(2)_Xゲージ群を持つトロイモデルを提案し、XとYは異なるグローバル荷を有する。
• X粒子がSU(2)_Xインスタントンを通じてY粒子に崩壊し、クォークとレプトンを生成すると想定し、崩壊率はインスタントン計算（式9）で推定する。
• 再加熱温度によるX粒子密度の指数的抑制式：n_X/s ∝ exp(–2m_X/T_r) を用い、宇宙論的制約に整合する低密度を保証する。
• 観測されたUHECRフラックスとダークマター密度から、X粒子質量（m_X ≳ 10^13 GeV）と寿命（τ_X ≲ 10^22 yr）の制約を導出する。
• インスタントン選択則を適用して、色荷や弱いダブルット状態を禁止し、XおよびY粒子が弱い相互作用および強い相互作用に対して中性であることを保証する。これはダークマター候補として好適である。
• シャワー特性を分析：平坦なエネルギースペクトル、高いジェット多重度（N_j ∼ 10）、および硬いレプトンを特徴とし、二ジェット崩壊モデルとは明確に区別される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GZKカットオフを超える超高エネルギー宇宙線は、宇宙インフレーションに続く再加熱期の証拠を提供しうるか？
• RQ2 超重いX粒子が宇宙論的に長い寿命（10^10–10^22年）を示す素粒子物理学的メカニズムは何か？
• RQ3 X粒子の崩壊を伴うモデルにおいて、観測されたUHECRフラックスとダークマター密度を同時に満たす方法は何か？
• RQ4 インスタントン誘導崩壊は、他のトップダウンUHECR生成メカニズムとどのように特徴的に異なるシャワーを生成するか？
• RQ5 X粒子の質量と崩壊特性は、初期宇宙の再加熱温度を推定する手がかりとして利用可能か？

主な発見

• X粒子の豊度を指数的抑制で抑えるためには、再加熱温度がX粒子質量よりもはるかに小さく（T_r ≲ m_X）なければならない。これは観測されたUHECRフラックスと整合的である。
• インスタントン誘導崩壊は、ジェット多重度N_j ∼ 10の多粒子最終状態を生成し、UHECR領域で平坦なエネルギースペクトルをもたらす。
• X → Y + クォーク + レプトンという崩壊過程は、二ジェット崩壊モデルに欠ける硬いレプトンを生成する、顕著な特徴である。
• Y粒子が安定であれば、モデルはY粒子がダークマターの主要成分を占めることを予測する。m_X < 2m_Y であれば過剰生成を避けることができ、ダークマター密度と整合的である。
• インスタントン選択則により、XおよびY粒子が強い相互作用および電磁弱相互作用を有しない（中性）ことが自然に説明され、安定性と弱い検出断面積が説明される。
• 本シナリオにおけるUHECRスペクトルは、高多重度、平坦スペクトル、および硬いレプトン成分の組み合わせにより、他のトップダウンモデルと明確に区別可能である。