[논문 리뷰] Neutron-mirror neutron oscillations for solving the puzzles of ultrahigh-energy cosmic rays

Wanpeng Tan|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 18.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 초고에너지우주선(UHECR) 물리학의 핵심 난제를 반사물질 프레임워크 내에서 중성자-반사 중성자 진동을 통해 해결할 수 있다고 제안한다. $T'/T \sim 0.3$의 반사-일반 CMB 온도 비율을 가정함으로써, 모델은 GZK 절단 억제, 먼 반사원천으로부터 온 초GZK 사건의 기원, 그리고 태클레스코프 어레이 핫스팟에서의 하위- 및 초GZK 사건 간의 반상관관계를 설명하며, 아이스컵 고에너지 중성자와의 상관관계 및 GW170729와의 연관성을 예측한다.

ABSTRACT

Based on a newly proposed mirror-matter model of neutron-mirror neutron ($n-n'$) oscillations, the puzzles related to ultrahigh-energy cosmic rays (UHECRs) are explained. In particular, the phenomena around the Greisen-Zatsepin-Kuzmin (GZK) cutoff for UHECRs can be well understood under the new mirror matter model assuming a mirror-to-ordinary temperature ratio of $T'/T \sim 0.3$. The suppression factor of the GZK effect due to the opacity of cosmic microwave background is calculated and agrees with the observations well. Most of the super-GZK events (i.e., above the GZK cutoff), as predicted in the new model, come from mirror matter sources that are invisible to electromagnetic telescopes and can penetrate the mirror cosmic microwave background at much further distances. Most remarkably, the anti-correlation between super-GZK and sub-GZK events in the hotspot observed by the Telescope Array (TA) collaboration can be naturally understood in this model. The possible correlations between the UHECRs from the TA hotspot and other nearby powerful sources such as high energy neutrinos detected by IceCube, the largest black hole merger (GW170729) observed by LIGO, and the hottest star-forming supercluster Lynx Arc, are discussed as well under the new theory.

연구 동기 및 목표

• 초고에너지우주선(UHECR) 관측에서 오랫동안 남아있던 난제를 해결하기 위해, GZK 절단 억제와 초GZK 사건 기원을 포함한다.
• 태클레스코프 어레이 핫스팟에서 관측된 하위-GZK 및 초GZK 사건 간의 반상관관계를 설명한다.
• UHECR, 고에너지 중성자(아이스컵), 중력파(GW170729), 그리고 린크스 아크 초은하단과의 상관관계를 탐색한다.
• 반사물질 모델과 $n-n'$ 진동을 통해 UHECR 이면을 해결할 수 있는지 검증한다.
• 반사물질 원천이 CMB 투과도를 피하고 지구에서 탐지 가능한 초고에너지우주선을 방출할 수 있는 이론적 프레임워크를 제공한다.

제안 방법

• 일반 중성자와 반사 중성자($n \leftrightarrow n'$) 사이의 라그랑지안에 혼합항을 포함한 반사물질 모델을 채택한다.
• 관측 데이터와 일치하기 위해 반사 CMB 온도 비율 $T'/T \sim 0.3$을 사용하여 GZK 효과의 억제 요인을 계산한다.
• 우주 공간을 통한 UHECR의 전파를 모델링하며, CMB에서 광피온 손실을 피할 수 있도록 $n-n'$ 진동을 고려한다.
• 광피온 반응의 평균 자유경로를 $l_\pi \sim 10^7$ 광년으로 계산하여, $n-n'$ 진동이 효과적인 전파 거리를 연장시킴을 보여준다.
• 반사 중성자에 대해 MSW 효과를 적용하여 고에너지($\sim 10^{14}$ eV)에서 일반 중성자로 공진 진동이 가능하게 한다.
• 태클레스코프 어레이 핫스팟 방향을 알려진 천체물체(GW170729, 린크스 아크)와 연관지어 반사원천 가설을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중성자-반사 중성자 진동은 GZK 절단 근처에서 관측된 UHECR 억제를 설명할 수 있는가?
• RQ2 왜 태클레스코프 어레이 핫스팟에서 초GZK 사건(E > 10^19.75 eV)은 하위-GZK 사건과 반상관관계를 보이는가?
• RQ3 반사물질 원천이 전자기망원우주선으로서 탐지되지 않으며, 천체거리에 걸쳐 전파될 수 있는가?
• RQ4 관측된 UHECR-중성자 상관관계에 대해 물리적 근거가 존재하는가?
• RQ5 GW170729와 같은 중력파 사건과 린크스 아크와 같은 극한의 별 형성 영역이 UHECR 핫스팟과 일치하여 반사물질 기원을 뒷받침하는가?

주요 결과

• 모델은 $T'/T \sim 0.3$일 때 관측된 GZK 절단 억제를 데이터와 일치하는 억제 요인으로 재현한다.
• 초GZK 사건은 전자기망원우주선으로서 탐지되지 않는 먼 반사물질 원천에서 유래하며, 반사 CMB를 통과하면서도 에너지 손실이 거의 없는 것으로 나타난다.
• 태클레스코프 어레이 핫스팟에서 하위-GZK와 초GZK 사건 간의 반상관관계는 모델의 이중원천 기원(근접한 일반원천에서 기인하는 하위-GZK, 먼 반사원천에서 기인하는 초GZK)으로 자연스럽게 설명된다.
• GW170729의 빛의 거리(~2750 ± 1350 Mpc)는 반사원천 탐지에 필요한 거리 척도와 일치하여 반사 기원을 지지한다.
• 태클레스코프 어레이 핫스팟 방향은 약 1.2 × 10^10 광년 거리에 있는 린크스 아크 초은하단과 일치하며, 이는 먼 반사원천의 모델 예측과 일치한다.
• 이러한 원천으로부터 온 고에너지 반사 중성자는 공진 MSW 진동을 겪어 아이스컵에서 탐지 가능한 일반 중성자로 전환되며, 관측된 UHECR-중성자 상관관계를 설명한다.