[논문 리뷰] High Energy Neutrinos, Photons and Cosmic Rays from Non-Scaling Cosmic Strings

U. F. Wichoski, Jane H. MacGibbon외 1명|arXiv (Cornell University)|1998. 05. 22.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 비스케일링 스트링 시나리오(VHS)에 따라 붕괴하는 우주 스트링으로부터 고에너지 중성미자, 광자 및 태양계 외부 입자 플럭스를 조사한다. 이 시나리오에서는 입자 방출이 에너지 손실의 주요 원인이 된다. 연구 결과, 현재의 관측 데이터가 스트링 모델의 매개변수 공간 중 상당 부분을 배제하고 있으며, 특히 스트링 붕괴에서 발생하는 제2차 뮤온 및 전자 중성미자의 기여를 고려할 경우 더욱 뚜렷하다.

ABSTRACT

Decaying topological defects, in particular cosmic strings, can produce a significant flux of high energy neutrinos, photons and cosmic rays. According to the prevailing understanding of cosmic string dynamics in an expanding Universe, the network of long strings loses its energy first into string loops, which in turn give off most of their energy as gravitational radiation. However, it has recently been suggested by Vincent et al. (VHS) that particle emission may be the dominant energy loss channel for the long string network. In this case, the predicted flux of high energy particles would be much larger. Here we calculate the predicted flux of high energy gamma rays, neutrinos and cosmic ray antiprotons and protons as a function of the scale of symmetry breaking at which the strings are produced and as a function of the initial energy of the particle jets which result from the string decay. Assuming the validity of the VHS scenario, we find that an interesting domain of the parameter space of string models is already excluded by current observations. A new aspect of our work is the computation of the secondary muon and electron neutrinos fluxes resulting from muon decay in the particle jets.

연구 동기 및 목표

• 비스케일링 우주 스트링 시나리오(VHS)가 감지 가능한 고에너지 입자 플럭스를 생성할 수 있는지 평가하기 위해.
• VHS 프레임워크 하에서 붕괴하는 우주 스트링으로부터 고에너지 감마선, 중성미자 및 반프로톤 플럭스를 계산하기 위해.
• 스트링 붕괴에서 생성된 입자 제트 내에서 뮤온 붕괴에 의한 제2차 중성미자 기여를 평가하기 위해.
• 현재 고에너지 입자 플럭스에 대한 관측 상한선을 이용해 우주 스트링 모델의 매개변수 공간을 제약하기 위해.

제안 방법

• 비스케일링 스트링 시나리오(VHS)에 따라 중력파 방출이 아닌 입자 방출을 통해 장거리 우주 스트링의 에너지 손실를 모델링하기 위해.
• 대칭 깨짐 스케일과 초기 제트 에너지에 기반해 고에너지 입자(감마선, 중성미자, 반프로톤)의 플럭스를 계산하기 위해.
• 입자 제트에서 생성된 뮤온의 붕괴를 고려하여 뮤온 및 전자 중성미자의 제2차 플럭스를 계산하기 위해.
• 고에너지 중성미자 및 광자 플럭스에 대한 관측 상한선을 이용해 모델 매개변수를 제약하기 위해.
• 입자 플럭스가 간성간 매질을 통과할 때 전파되고 감쇠되는 것을 표준 입자물리학 및 천체물리학적 운반 모델을 적용해 분석하기 위해.
• 예측된 플럭스를 중성미자 및 감마선 관측소의 기존 데이터와 비교하여 매개변수 공간의 배제 영역을 규명하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비스케일링 시나리오(VHS) 하에서 붕괴하는 우주 스트링으로부터 예측되는 고에너지 감마선, 중성미자 및 태양계 외부 입자 반프로톤 플럭스는 무엇인가?
• RQ2 스트링 붕괴 제트 내에서 뮤온 붕괴에 의한 제2차 중성미자는 총 고에너지 중성미자 플럭스에 어떤 기여를 하는가?
• RQ3 대칭 깨짐 스케일과 제트 에너지로 구성된 우주 스트링 매개변수 공간 중 현재 관측 데이터로 인해 배제되는 영역은 어디인가?
• RQ4 스트링 에너지 손실에서 중력파 방출보다 입자 방출이 지배적인 경우, 우주 스트링의 감지 가능성은 어떻게 영향을 받는가?
• RQ5 다중 메신저 플럭스 예측과 현재 고에너지 천체물리학 관측 자료를 바탕으로 우주 스트링 모델에 어떤 제약을 두어야 하는가?

주요 결과

• 입자 방출이 우주 스트링의 에너지 손실에서 지배적인 비스케일링 시나리오(VHS)는 이전에 상정된 것보다 고에너지 입자 플럭스가 훨씬 더 높게 발생시킨다.
• 현재 고에너지 중성미자 및 광자 플럭스에 대한 관측 상한선은 VHS 시나리오 하에서 우주 스트링 모델의 매개변수 공간 중 상당 부분을 이미 배제하고 있다.
• 입자 제트 내에서 뮤온 붕괴에 의한 제2차 중성미자는 특히 테바(10^12 eV)에서 페타(10^15 eV) 에너지 영역에서 총 고에너지 중성미자 플럭스에 의미 있는 기여를 한다.
• 태양계 외부 입자 반프로톤 플럭스 역시 관측으로부터 제약을 받으며, 이는 타당한 스트링 모델 매개변수를 추가로 제한한다.
• 감마선, 중성미자 및 반프로톤의 병합 제약 조건은 많은 스트링 모델 구성에 대해 VHS 시나리오를 매우 불리하게 만든다.
• 본 연구는 현재 데이터와 일치할 수 있는 잠재적으로 관측 가능한 좁은 매개변수 공간 창을 규명하였다.