[논문 리뷰] Ultra-High Energy Cosmic Rays: a Window to Post-Inflationary Reheating Epoch of the Universe?

V.A. Kuzmin, V. A. Rubakov|arXiv (Cornell University)|1997. 09. 18.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 23

한 줄 요약

이 논문은 우주 팽창 이후 복원 시기 동안 생성된 초고질량이고 장수하는 X-입자들의 붕괴에서 기인할 수 있는, GZK 절단 이하의 초고에너지 우주선(UHECRs)을 제안한다. 비아벨 게이지 모형에서의 인스탄톤 유도 붕괴 메커니즘을 사용하여, 이러한 붕괴가 딱딱한 렙톤을 가진 평탄한 다입자 쇼어를 생성할 수 있음을 보여주며, UHECRs와 복원 시기 사이의 연관성을 제시하고, 다른 상향 모델들과 구별되는 검증 가능한 서명을 제공한다.

ABSTRACT

We conjecture that the highest energy cosmic rays beyond the Greisen-Zatsepin-Kuzmin cut-off may provide a unique window into the very early epoch of the Universe, namely, that of reheating after inflation, provided these cosmic rays are due to decays of parent superheavy long-living X-particles. These particles may constitute a considerable fraction of cold dark matter in the Universe. We argue that the unconventionally long lifetime of the superheavy particles, which should be in the range of $10^{10} - 10^{22}$ years, might require novel particle physics mechanisms of their decays, such as instantons. We propose a toy model illustrating the instanton scenario. Generic expected features of ultra-high energy extensive air showers in our scenario are similar to those of other top-down scenarios. However, some properties of the upper part of the cosmic ray spectrum make the instanton scenario distinguishable, at least in principle, from other ones.

연구 동기 및 목표

• GZK 절단을 초월하는 초고에너지 우주선이 패기 후 복원 시기를 탐지하는 데 사용될 수 있는가를 탐구하기 위해.
• 수명이 10^10–10^22년인 초고질량이고 장수하는 X-입자를 생성하는 데 있어 천체물리학적 및 입자물리학적 과제를 해결하기 위해.
• 표준 고차원 연산자를 피하는 장수한 수명을 갖는 X-입자에 대한 메커니즘—인스탄톤 유도 붕괴—를 제안하기 위해.
• SU(2)_X 게이지 대칭을 가진 만능 모형을 통해 관측된 UHECR 스펙트럼과 복원 온도, 암흑물질 조성 간의 연결을 위한 것이며.
• 다중 입자 제트와 딱딱한 렙톤 같은 고유한 쇼어 특성으로 다른 상향 모델과의 차별화를 이루기 위해.

제안 방법

• 좌측 페르미온 이중체 X, Y와 우측 페르미온 싱เก릿, 각각 다른 글로벌 전하를 지닌 SU(2)_X 게이지 군을 포함하는 만능 모형을 제안한다.
• X-입자가 SU(2)_X 인스탄톤을 통해 Y-입자와 쿼크, 렙톤으로 붕괴되며, 붕괴율은 인스탄톤 미적분(Eq. 9)을 통해 추정된다.
• 복원 온도에 의한 X-입자 밀도의 지수 감소를 이용: n_X/s ∝ exp(–2m_X/T_r), 이는 천체물리학적 제약 조건과 일치하는 낮은 밀도를 보장한다.
• 관측된 UHECR 플럭스와 암흑물질 밀도로부터 X-입자 질량(m_X ≳ 10^13 GeV)과 수명(τ_X ≲ 10^22 yr)에 대한 제약 조건을 유도한다.
• 인스탄톤 선택 규칙을 적용하여 색상이나 약한 이중체 상태를 금지함으로써 X-와 Y-입자가 약한 상호작용과 강한 상호작용에서 중립임을 보장한다—이것은 이상적인 암흑물질 후보자이다.
• 쇼어 특성 분석: 평탄한 에너지 스펙트럼, 높은 제트 다중성(N_j ∼ 10), 딱딱한 렙톤이 포함되어 있으며, 이는 두 제트 붕괴 모델과의 차별성을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GZK 절단을 초월하는 초고에너지 우주선이 우주의 패기 이후 복원 시기를 입증하는 데 기여할 수 있는가?
• RQ2 초고질량 X-입자의 천체물리학적으로 긴 수명(10^10–10^22년)을 설명할 수 있는 입자물리학적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 붕괴하는 X-입자를 포함하는 모형에서 관측된 UHECR 플럭스와 암흑물질 밀도를 동시에 만족시킬 수 있는가?
• RQ4 인스탄톤 유도 붕괴는 다른 상향 모델의 UHECR 생성 메커니즘과 어떤 고유한 쇼어 특성을 구별하는가?
• RQ5 X-입자의 질량과 붕괴 특성을 제약 조건에 둠으로써 초기 우주의 복원 온도를 추론할 수 있는가?

주요 결과

• 관측된 UHECR 플럭스와 일치하기 위해 X-입자 밀도를 지수 감소시키기 위해 복원 온도는 X-입자 질량보다 훨씬 작아야 한다(T_r ≲ m_X).
• 인스탄톤 유도 붕괴는 다입자 최종 상태를 생성하며, 제트 다중성 N_j ∼ 10으로 초고에너지 범위에서 평탄한 에너지 스펙트럼을 유도한다.
• X → Y + 쿼크 + 렙톤 붕괴 과정은 딱딱한 렙톤을 생성하며, 이는 두 제트 붕괴 모델에서 부재한 고유한 특징이다.
• 이 모형은 Y-입자가 안정하다면 암흑물질 성분을 지배하며, m_X < 2m_Y 조건을 만족함으로써 과잉 생성을 방지하여 암흑물질 밀도와의 일치를 보장한다.
• 인스탄톤 선택 규칙에 의해 X-와 Y-입자가 강한 상호작용과 전자기약한 상호작용에서 중립임을 자연스럽게 설명하며, 이는 안정성과 약한 탐지 단면적을 설명한다.
• 이 시나리오에서 UHECR 스펙트럼은 높은 다중성, 평탄한 스펙트럼, 딱딱한 렙톤 성분의 조합으로 다른 상향 모델과 구별된다.