[論文レビュー] Ultra-high energy cosmic rays and new physics

S. Sarkar|ArXiv.org|Feb 3, 2002

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、GZKカットオフを超える超高エネルギー宇宙線（UHECR）を説明するため、標準模型を超えた奇妙な物理学を探求している。具体的には、銀河のハローに存在する崩壊する高質量のレリック粒子（『wimpzillas』）が、それらのUHECRの起源であると提唱している。これらの仮説上の暗黒物質粒子は核子に崩壊し、観測されたUHECRデータと整合するスペクトルおよび非均一性を生じさせる。これは、天体的起源や新しい相互作用を仮定する代替理論として検証可能である。

ABSTRACT

Cosmic rays with energies beyond the Greisen-Zatsepin-Kuzmin `cutoff' at $\sim 4 imes 10^{10}$ GeV pose a conundrum, the solution of which requires either drastic revision of our astrophysical understanding, or new physics beyond the Standard Model. Nucleons of such energies must originate within the local supercluster in order to avoid excessive energy losses through photopion production on the cosmic microwave background. However they do not point back towards possible nearby sources, e.g. the active galaxy Cen A or M87 in the Virgo cluster, so such an astrophysical origin requires intergalactic magnetic fields to be a hundred times stronger than previously believed, in order to isotropise their arrival directions. Alternatively the primaries may be high energy neutrinos, say from distant gamma-ray bursts, which annihilate on the local relic background neutrinos to create ``Z-bursts''. A related possibility is that the primary neutinos may initiate the observed air showers directly if their interaction cross-sections are boosted to hadronic strength through non-perturbative physics such as TeV-scale quantum gravity. Or the primaries may instead be new strongly interacting neutral particles with a longer mean free path than nucleons, coming perhaps from distant BL-Lac objects or FR-II radio galaxies. Yet another possibility is that Lorentz invariance is violated at high energies thus suppressing the energy loss processes altogether. The idea that has perhaps been studied in most detail is that such cosmic rays originate from the decays of massive relic particles (``wimpzillas'') clustered as dark matter in the galactic halo. All these hypotheses will soon be critically tested by the Pierre Auger Observatory, presently under construction in Argentina, and by proposed satellite experiments such as EUSO.

研究の動機と目的

• GZKカットオフを超える超高エネルギー宇宙線（UHECR）のパラドックスを解消すること。これは、標準的な天体物理学的モデルに挑戦するものである。
• UHECRが遠方の天体的起源ではなく、崩壊する高質量のレリック粒子（wimpzillas）に起因するかどうかを調査すること。
• 観測データと照らし合わせて、wimpzillasが暗黒物質候補として妥当であるかどうかを検証すること。
• ピエール・オーディオやEUSOなどの将来の実験が、UHECRの起源が天体的要因か新しい物理学的要因かを区別できる可能性を評価すること。

提案手法

• LEPエネルギーからwimpzillasの質量スケールまで、DGLAP進化方程式を用いて断片化関数を進化させる。
• QCD断片化関数を用いて、wimpzillasのハドロン的崩壊生成物をモデル化し、核子のエネルギースペクトルを予測する。
• さまざまな密度プロファイル（くぼみあり、等温、三軸、傾きあり）を用いて、銀河の暗黒物質ハローをモデル化し、UHECRの方位分布をシミュレートする。
• 予想される非均一性パワー スペクトルを計算し、UHECR到達方向に関する観測的制約と比較する。
• 放射背景における光子の減衰を考慮して、崩壊からの光子成分をハバーハークの限界と照らし合わせる。
• ハロー内の不均一な暗黒物質分布に起因する、UHECR到達方向における集積性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 GZKカットオフを超える観測されたUHECRスペクトルは、銀河ハロー内の高質量レリック粒子の崩壊によって説明可能だろうか？
• RQ2 wimpzillasの崩壊に起因するUHECRが、異なるハローモルフォロジーを持つ場合、到達方向における期待される非均一性パターンはどのようになるだろうか？
• RQ3 wimpzillas崩壊からの予想される光子成分と核粒子成分は、ハバーハークからの観測限界とどのように比較されるだろうか？特に、放射背景における光子の減衰が顕著である場合を含めて。
• RQ4 UHECRイベントの集積性は、等方的な天体的起源と対比して、wimpzillas崩壊の特徴として識別可能だろうか？
• RQ5 ピエール・オーディオやEUSOなどの将来の実験が、wimpzillas崩壊と他のUHECR起源仮説をどの程度まで区別できるだろうか？

主な発見

• 質量 $5 \times 10^{12}\,{\rm GeV}$ のwimpzillasの崩壊は、GZKカットオフを超えるUHECRの『平坦』な成分と整合する核粒子スペクトルを生成する。
• 予想される非均一性の振幅は、くぼみありハローでは $\sim 0.5$、等温ハローでは $\sim 0.3$ に低下し、銀河中心方向に最大のパワーを示す。
• モデルは、観測限界よりも約2倍多い光子成分を予測しており、放射背景における光子の減衰が顕著でない限り、ハバーハークのデータと矛盾する可能性がある。
• M31のハローは、wimpzillas仮説を支持する明確な証拠を提供するにはあまりに明るくないため、M31との単純な関連性は否定される。
• モデルは、暗黒物質ハローの不均一構造に起因するUHECR到達方向における観測可能な集積性を予測しており、反証可能な特徴としての役割を果たす。
• UHECRが重い原子核で構成されていることが判明した場合、wimpzillas崩壊モデルは否定され得る。なぜなら、このモデルは核粒子優勢な組成を予測するからである。