[논문 리뷰] Cosmic Ray Positrons from Cosmic Strings

Robert Brandenberger, Yi-Fu Cai외 2명|ArXiv.org|2009. 01. 22.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 46인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 10–600 GeV 범위에서 관측된 간성선 양성자기의 기원으로 초순수한 우주 끈에서 발생하는 쿠스 붕괴에 의해 생성된 입자 제트를 제안한다. 이 모델은 600 GeV 근처에 날카운 상한 절단이 있고, 이 절단에 가까워질수록 플럭스가 증가하는 스펙트럼 형태를 예측하며, 세부적인 쿠스 역학에 의존하지 않고도 PAMELA 및 ATIC 데이터와 잘 맞추어진다. 피크 에너지는 초기 제트 에너지에 의해 결정되고, 진폭은 끈의 긴장도와 붕괴 효율성에 의해 조정된다.

ABSTRACT

We study the spectrum of cosmic ray positrons produced by a scaling distribution of non-superconducting cosmic strings. In this scenario, the positrons are produced from the jets which form from the cosmic string cusp annihilation process. The spectral shape is a robust feature of our scenario, and is in good agreement with the results from the recent PAMELA and ATIC experiments. In particular, the model predicts a sharp upper cutoff in the spectrum, and a flux which rises as the upper cutoff is approached. The energy at which the flux peaks is determined by the initial jet energy. The amplitude of the flux can be adjusted by changing the cosmic string tension and also depends on the cusp annihilation efficiency.

연구 동기 및 목표

• 10–600 GeV 범위에서 관측된 간성선 양성자 플럭스 과잉을 설명하기 위해, 천체물리적 배경 예측을 초월하는 현상을 설명한다.
• 암흑물질 또는 펄서 모델에 의존하지 않고, 비초전도성 우주 끈에서의 쿠스 붕괴를 통한 양성자 생성 메커니즘을 제안한다.
• PAMELA 및 ATIC 실험에서 관측된 스펙트럼 형태—특히 날카운 절단과 절단 근처에서의 플럭스 증가—를 일치시키는 데 목적이 있다.
• 우주 끈의 긴장도와 쿠스 붕괴 효율성에 따른 양성자 플럭스의 의존성을 규명하여 끈 모델에 대한 제약 조건을 도출한다.
• 세부적인 쿠스 역학의 특성에 영향을 받지 않는 강력한 모델 독립적 예측을 제공한다.

제안 방법

• 고정된 허블 반경 비율에서 형성된 것으로 가정한 스케일링 분포를 가진 우주 끈 고리 모델을 수립한다.
• 쿠스 붕괴 메커니즘을 적용하여 국소적으로 끈의 쿠스에서 고에너지 입자 제트를 방출하는 것을 고려한다. 이 제트에는 양성자도 포함된다.
• 쿠스 방출에서 유래한 제트 에너지 스펙트럼을 사용하며, 이는 초기 제트 질량 $ m_f $ 에 의해 결정되는 절단 에너지로 증가한다.
• 은하 내 전파 효과를 고려하여 고리 분포에 대해 통합함으로써 간성선 양성자 플럭스를 계산한다.
• 쿠스 붕괴 효율성 요소 $ \epsilon $ 와 끈의 긴장도 $ G\mu $ 를 도입하여 플럭스 진폭을 조정한다.
• 모델 예측을 PAMELA 및 ATIC 데이터와 비교하여 $ m_f $, $ G\mu $, $ \epsilon $ 를 제약 조건화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 우주 끈의 쿠스 붕괴는 ATIC 및 PAMELA가 관측한 600 GeV 근처의 날카운 스펙트럼 절단과 절단 근처에서 증가하는 플럭스를 재현할 수 있는가?
• RQ2 우주 끈 모델에서 양성자 스펙트럼의 피크 에너지는 무엇에 의해 결정되는가?
• RQ3 예측된 플럭스 진폭은 우주 끈의 긴장도 $ G\mu $ 와 쿠스 붕괴 효율성 $ \epsilon $ 에 얼마나 민감하게 의존하는가?
• RQ4 이 모델은 암흑물질이나 가까운 펄서를 가정하지 않고도 양성자 과잉 현상을 설명할 수 있는가?
• RQ5 관측 데이터와 일치시키기 위해 $ G\mu $ 와 $ \epsilon $ 에 대해 어떤 제약 조건을 설정할 수 있는가?

주요 결과

• 모델은 600 GeV 근처에 날카운 상한 절단이 있고, 이에 가까워질수록 플럭스가 증가하는 스펙트럼 형태를 예측하며, ATIC 및 PAMELA 관측 결과와 잘 일치한다.
• 양성자 플럭스의 피크는 초기 제트 에너지 $ m_f $ 에 의해 결정되며, $ m_f $ 가 클수록 피크 에너지가 높아진다.
• 플럭스 진폭은 곱 $ \epsilon (\gamma^{11/6} G\mu)^{-1} $ 에 의해 결정되며, 이는 관측된 플럭스 수준과 일치하도록 조정될 수 있다.
• 만약 $ \epsilon \sim 1 $ 이라면, 이 모델은 $ G\mu $ 에 대한 상한을 제시하며, 많은 저에너지 스케일의 우주 끈 모델을 배제한다.
• 스펙트럼 형태는 세부적인 쿠스 역학에 민감하지 않아 모델의 강력한 예측이 된다.
• 과잉 반양성자 방출을 피하기 위해 끈이 주로 렙톤으로 붕괴되어야 하며, 이는 PAMELA 반양성자 데이터와 일치한다.