[論文レビュー] Ultra High Energy Gamma Rays as signature of Topological Defects

V. Berezinsky, Pasquale Blasi+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 1998

Advanced X-ray and CT Imaging参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、ネックレスやモノポロニアといったトポロジカルな欠陥に加え、残存する超重い粒子が、超高エネルギー宇宙線（UHECR）の源である可能性を提案しており、パイオンを豊富に含む生成メカニズムに起因して、UHE放射において支配的となる光子フラックスを予測している。実験的に光子誘発と陽子誘発のエアシャワーを区別できれば、UHECRの真の起源を解明できる可能性がある。

ABSTRACT

We argue that due to various restrictions only necklaces and monopolonia survive as potential sources of ultra-high energy cosmic rays, among the topological defects studied so far. Other promising sources which are similar to topological defects are relic superheavy particles. All these sources have an excess of pions (and thus photons) over nucleons at production. We demonstrate that in the case of necklaces the diffuse proton flux can be larger than photon flux, while monopolonia and relic particles are concentrated in the Galactic halo, and the photon flux dominates. In all cases considered so far, including necklaces, photons must be present in ultra-high energy radiation 1 observed from topological defects, and experimental discrimination between photon-induced and proton-induced extensive air showers can give a clue to the origin of ultra-high energy cosmic rays. I.

研究の動機と目的

• 超高エネルギー宇宙線を生成可能な妥当なトポロジカル欠陥候補を特定すること。
• これらの欠陥からの粒子生成スケーリング（特にパイオンと光子の過剰）を分析すること。
• 異なる欠陥タイプからの陽子フラックスと光子フラックスの相対的寄与を比較すること。
• UHECR観測の文脈において、これらの源からの光子優勢放射の検出可能性を評価すること。
• 実験的に光子誘発と陽子誘発の広がりたるエアシャワーを区別するフレームワークを提供すること。

提案手法

• 宇宙ひも、テクスチャー、モノポールなどのトポロジカル欠陥における粒子生成メカニズムの分析。
• 欠陥崩壊過程におけるパイオンと光子の核子に対する相対的豊度の評価。
• 源の空間的分布のモデル化：ネックレス（おそらく拡張型）、モノポロニア、および残存する超重い粒子（銀河のハローに閉じ込められている）。
• 伝搬と源分布を考慮した、全天にわたる陽子と光子の拡散フラックスの比較。
• 宇宙論的および素粒子物理学的制約を適用し、不安定または非現実的な欠陥構成を除外すること。
• 理論的予測による粒子生成量を基に、超高エネルギー放射における観測可能なシグナルを推定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 既知の物理的制約のもとで、どのトポロジカル欠陥が現実的に超高エネルギー宇宙線を生成できるか？
• RQ2 トポロジカル欠陥源からの拡散フラックスにおいて、光子と陽子の相対的寄与はいかほどか？
• RQ3 源の空間的分布（例：銀河のハロー対拡張型）が観測される光子対陽子フラックス比にどのように影響するか？
• RQ4 UHECR観測において、光子誘発の広がりたるエアシャワーを実験的に陽子誘発のシャワーと区別できるか？
• RQ5 超高エネルギー放射にどのようなシグナルが、トポロジカル欠陥源の存在を確認する手がかりとなるか？

主な発見

• トポロジカル欠陥の中で、物理的制約の下で、ネックレスとモノポロニアのみが超高エネルギー宇宙線の妥当な源として残る。
• 残存する超重い粒子もまた、妥当な源であり、トポロジカル欠陥と同様の粒子生成特性を示す。
• ネックレスは、他の源とは異なり、拡散陽子フラックスが光子フラックスを上回る可能性がある。
• モノポロニアと残存する超重い粒子は銀河のハローに集中しているため、観測では支配的となる光子フラックスが得られる。
• ネックレス、モノポロニア、および残存粒子を含むすべての源が、検出可能な超高エネルギー光子を放出しなければならない。
• 実験的に光子誘発と陽子誘発の広がりたるエアシャワーを区別できることは、超高エネルギー宇宙線の起源を特定するための重要な診断ツールである。