[논문 리뷰] Particle Physics at Ultrahigh Energies

Glennys R. Farrar|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 28.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 QCD 비탄성 단면적이 표준 모델보다 60 TeV 중심질량 에너지 이상에서 더 빠르게 증가할 경우, 초고에너지 우주선(UHECR) 쇼워가 순수 수소핵 조성으로 일관되게 설명될 수 있다고 제안한다. 또한, 탐색되지 않은 운동역학 영역에서 입자 비율을 약간 수정하면 현재의 강입자 상호작용 모델에서 오랫동안 지속된 뮤온 부족 문제를 해결할 수 있으며, 조정된 혼합 조성 시나리오의 현상학적으로 타당한 대안을 제공한다.

ABSTRACT

We explore particle physics beyond accelerator energies, motivated by questions exposed in astroparticle physics observations: 1) Are there reasonable modifications to the standard extrapolations of LHC-tuned hadronic interaction models, so that ultrahigh energy cosmic ray (UHECR) showers are well-described with a purely protonic primary composition rather than requiring a tuned, energy-dependent composition mixture as needed in conventional models? 2) What modifications to standard models can solve the deficiency in the predicted ground signal found in hybrid UHECR observations? We find that a pure proton composition provides an excellent fit to shower observations, if the QCD inelastic cross section increases more rapidly above $E_{ m cm} \approx 60$ TeV than in conventional models, and speculate as to possible reasons this may happen; the "muon deficiency" can be cured by relatively minor modifications to particle ratios in unexplored kinematic regimes below and above LHC energies.

연구 동기 및 목표

• 순수 수소핵 UHECR 조성이 에너지 의존적인 핵혼합 조성의 조정이 필요 없이 관측된 쇼워 발달 및 $X_{\rm max}$ 분포를 재현할 수 있는지 조사한다.
• 현재의 강입자 상호작용 모델(HEGs)에서 지속적인 뮤온 부족 문제를 해결하기 위해, 탐색되지 않은 운동역학 영역에서 입자 비율의 수정을 규명한다.
• 초고에너지 UHECR 쇼워 관측치의 괴리점을 설명할 수 있는 새로운 물리학(예: 증가된 정면 산란 또는 굴절률 영향 등)이 존재하는지 탐색한다.
• 초고에너지에서 비탄성 단면적을 효과적으로 증가시키는 메커니즘으로서 QCD-체렌코프 복사 또는 기타 새로운 상호작용이 가능한지 평가한다.

제안 방법

• 표준 모델보다 $E_{\rm cm} \approx 60$ TeV 이상에서 더 빠르게 증가하는 수정된 QCD 비탄성 단면적을 제안하며, 광학 정리와 정면 산란 진폭을 이용해 이와 굴절률의 효과적 지수로 연결한다.
• 광학 정리를 적용하여 총 단면적과 정면 산란 진폭을 연결하고, 공기 중 굴절률에 대해 $n-1 \approx \rho \sigma_{\rm tot} / s$ 를 유도한다.
• 경량 스핀-2 입자의 $t$-채널 교환을 고려하여 $\sigma_{\rm el} \sim s$ 행동을 생성하며, 이는 대기 중 체렌코프 유사 복사로 이어질 수 있다.
• 이 메커니즘의 에너지 손실과 복사 원뿔을 평가하여, 약 $10^{18.5}$ eV에서 비탄성 단면적 증가를 모방할 수 있음을 보여준다.
• $n > 1$일 때 고에너지 $\gamma$ 에서 $\pi^0$ 붕괴가 억제됨을 분석하여, 이는 뮤온 생성을 감소시키고 뮤온 부족 문제를 해결할 수 있다.
• 증가된 단면적과 $\pi^0$ 붕괴 억제를 조합하여 순수 수소핵을 가진 UHECR 쇼워에 대해 일관된 모델을 구축한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 순수 수소핵 UHECR 조성이 혼합 조성의 조정이 필요 없이 관측된 $\langle X_{\rm max} \rangle$ 의 에너지 의존성과 $X_{\rm max}$ 의 분산 감소를 재현할 수 있는가?
• RQ2 LHC 이하 및 초과 에너지에서 입자물리 모델의 어떤 수정이 현재의 강입자 상호작용 생성기에서의 뮤온 부족 문제를 해결하는 데 필요한가?
• RQ3 증가된 정면 산란로 인해 공기 중 굴절률 지수가 크게 증가하면 체렌코프 복사 또는 효과적 단면적 증가와 같은 관측 가능한 효과가 나타날 수 있는가?
• RQ4 QCD-체렌코프 복사는 초고에너지에서 비탄성 단면적을 증가시키는 타당한 메커니즘인가? 그리고 이는 새로운 물리학에 대해 어떤 제약을 가진다?
• RQ5 고 루프츠 인자에서 $\pi^0$ 붕괴 억제가 UHECR 쇼워의 뮤온 부족 현상을 설명할 수 있는가?

주요 결과

• QCD 비탄성 단면적이 표준 모델보다 $E_{\rm cm} \approx 60$ TeV 이상에서 더 빠르게 증가할 경우, 순수 수소핵 조성이 $X_{\rm max}$ 데이터에 뛰어난 맞춤을 보인다.
• 관측된 $X_{\rm max}$ 분포와 그 에너지 변화는 경량에서 무거운 핵으로 점진적으로 전이되는 것의 필요 없이 설명될 수 있으며, 천체물리학적 파급 제약과의 괴리 문제를 해결한다.
• 현재의 강입자 상호작용 모델에서의 뮤온 부족 문제는 LHC 에너지 이하 및 초과 영역에서 입자 비율의 상대적으로 미세한 수정으로 해결될 수 있다.
• 증가된 정면 산란로 인해 발생하는 1보다 큰 굴절률 지수는 약 $10^{18.5}$ eV에서 효과적 비탄성 단면적 증가를 모방하는 체렌코프 유사 복사로 이어질 수 있다.
• $n > 1$일 때 고 루프츠 인자에서 $\pi^0$ 붕괴 억제는 뮤온 생성을 감소시키는 메커니즘을 제공하며, 뮤온 부족 문제의 해결책이 된다.
• QCD-체렌코프 복사는 표준 QCD 내에서 효과적으로 작동하려면 관측된 비탄성 단면적의 약 $8 \times 10^4$ 배에 달하는 매우 큰 단면적이 필요하므로, 현실적으로 불가능하다.