[論文レビュー] Ultra High Energy Cosmic Rays: Strangelets? -- Extra dimensions, TeV-scale black holes and strange matter

Renxin Xu, Fei Wu|CERN Bulletin|Dec 4, 2002

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 11

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）がニュートリノや標準模型の粒子ではなく、安定な素粒子の塊（ストレンジレット）である可能性を提案する。Bare strange stars（BSS）がUHECRに被ばくすることでTeVスケールのブラックホールを形成し得るとする。もし2つの余剰次元が存在するならば、その結果生じるニュートリノフラックスは10⁻²⁶ cm⁻²s⁻¹未満に抑えられ、ニュートリノ検出は不確実になる。この抑制は、ニュートリノモデルよりもストレンジレット仮説を支持する。

ABSTRACT

The conjecture that ultra high energy cosmic rays (UHECRs) are actually strangelets is discussed. Besides the reason that strangelets can do as cosmic rays beyond the GZK-cutoff, another argument to support the conjecture is addressed in this letter via the study of formation of TeV-scale microscopic black holes when UHECRs bombarding bare strange stars. It is proposed that the exotic quark surface of a bare strange star could be an effective astro-laboratory in the investigations of the extra dimensions and of the detection of ultra-high energy neutrino fluxes. The flux of neutrinos (and other point-like particles) with energy >2.3 x 10^{20} eV could be expected to be smaller than 10^{-26} cm^{-2}$ s^{-1} if there are two extra spatial dimensions.

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）が、標準粒子ではなくストレンジレットである可能性を調査すること。
• UHECR衝突によってTeVスケールのブラックホールが形成される可能性を有するBare strange stars（BSS）の天体物理学的意義を調査すること。
• 特に2つの余剰次元を想定したモデルにおいて、超高エネルギーニュートリノの検出可能性を評価すること。
• 観測されたUHECRのフラックスとエネルギースペクトルが、ニュートリノよりもストレンジレットとより整合的であるかどうかを、余剰次元の文脈で評価すること。
• BSSを自然な実験室として、ストレンジマター、余剰次元、高エネルギー天体現象を結びつけるフレームワークを提供すること。

提案手法

• n = 2 から 7 の余剰次元に対して、大規模な余剰次元のADDモデルを用いて、基本的重力スケール M* とコンactification半径 R を導出する。
• D次元ブラックホールのシュバルツシルト半径の式を用いて、高エネルギー衝突で形成されるTeVスケールブラックホールのサイズを推定する。
• BSS内でのニュートリノ-クォーク衝突における中心系エネルギーを計算し、ブラックホール形成の閾値を特定する。
• ブラックホール形成率と余剰次元を用いて、超高エネルギーニュートリノフラックスの上限を導出する。条件は M_BH > M* である。
• RICEおよびFly's Eye/AGASA実験からの観測上限と予測されたニュートリノフラックスを比較し、余剰次元の数を制限する。
• 電荷対質量比、加速可能性、大気中を通過する際の放射エネルギー損失を分析することで、ストレンジレットがUHECR候補として妥当であるかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エネルギーが10²⁰ eVを超える超高エネルギー宇宙線（UHECR）が、ニュートリノやプロトンではなくストレンジレットであると説明できるか？
• RQ2 我々の宇宙に2つの余剰空間次元が存在する場合、超高エネルギーニュートリノの予想フラックスはどの程度であり、観測上限とどのように比較できるか？
• RQ3 Bare strange stars（BSS）は、TeVスケールのブラックホールの検出と余剰次元の探査に有効な天体物理学的実験室として機能できるか？
• RQ4 2つの余剰次元モデルにおける超高エネルギーニュートリノフラックスの抑制は、ニュートリノがUHECR候補であることを否定するのか？
• RQ5 どのような天体的メカニズムが、GZKカットオフを超えるエネルギーにまで加速されたストレンジレットを生成するのか？

主な発見

• 2つの余剰空間次元が存在する場合、エネルギーが2.3×10²⁰ eVを超える超高エネルギーニュートリノフラックスは10⁻²⁶ cm⁻²s⁻¹未満に予測され、現在の観測上限と整合的である。
• 2つの余剰次元モデルにおけるニュートリノフラックスの抑制は、観測されたUHECR事象と矛盾するが、UHECRがニュートリノでない限り成立する。このことは、UHECRがストレンジレットであるという仮説を支持する。
• 中心系エネルギーが基本的プランクスケール M* を超える限り、エネルギーが10¹⁹ eV以上のUHECRがBare strange stars内のクォークと衝突することでTeVスケールのブラックホールが形成可能である。
• n=2の余剰次元の場合、ニュートリノ-クォーク衝突におけるブラックホール形成の閾値エネルギーは E_ν > 2.3×10²⁰ eV であり、これは観測されたUHECRエネルギー以下である。
• バリオン数 A ~ 10⁹ のストレンジレットは、回転するストレンジスターのユニポーラル電場で約10²⁰ eVまで加速可能であり、高いバリオン数のおかげで放射エネルギー損失は無視できるほど小さい。
• RICEデータにおける超高エネルギーニュートリノ事象の不在と、フラックスの上限値が重なった結果、UHECRがニュートリノではなく、特に2つの余剰次元が存在する場合、ストレンジレットである可能性がさらに支持される。