[논문 리뷰] Ultra-high energy cosmic rays and new physics

S. Sarkar|ArXiv.org|2002. 02. 03.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 고에너지 우주선(GZK 절단값)을 초월하는 초고에너지 우주선(UHECRs)을 설명하기 위해 표준모형을 넘어서는 이국적인 물리학을 탐구한다. 이는 은하간 허브의 붕괴하는 거대한 유물 입자인 '위mps지라'(wimpzillas)에서 유래된다고 제안한다. 이러한 가설적 암흑물질 입자는 뉴클레온으로 붕괴되며, 관측된 UHECR 데이터와 일치하는 스펙트럼과 비균일성을 생성한다. 이는 천체물리적 원천이나 새로운 상호작용을 대체할 검증 가능한 대안을 제공한다.

ABSTRACT

Cosmic rays with energies beyond the Greisen-Zatsepin-Kuzmin `cutoff' at $\sim 4 imes 10^{10}$ GeV pose a conundrum, the solution of which requires either drastic revision of our astrophysical understanding, or new physics beyond the Standard Model. Nucleons of such energies must originate within the local supercluster in order to avoid excessive energy losses through photopion production on the cosmic microwave background. However they do not point back towards possible nearby sources, e.g. the active galaxy Cen A or M87 in the Virgo cluster, so such an astrophysical origin requires intergalactic magnetic fields to be a hundred times stronger than previously believed, in order to isotropise their arrival directions. Alternatively the primaries may be high energy neutrinos, say from distant gamma-ray bursts, which annihilate on the local relic background neutrinos to create ``Z-bursts''. A related possibility is that the primary neutinos may initiate the observed air showers directly if their interaction cross-sections are boosted to hadronic strength through non-perturbative physics such as TeV-scale quantum gravity. Or the primaries may instead be new strongly interacting neutral particles with a longer mean free path than nucleons, coming perhaps from distant BL-Lac objects or FR-II radio galaxies. Yet another possibility is that Lorentz invariance is violated at high energies thus suppressing the energy loss processes altogether. The idea that has perhaps been studied in most detail is that such cosmic rays originate from the decays of massive relic particles (``wimpzillas'') clustered as dark matter in the galactic halo. All these hypotheses will soon be critically tested by the Pierre Auger Observatory, presently under construction in Argentina, and by proposed satellite experiments such as EUSO.

연구 동기 및 목표

• 표준 천체물리 모델에 도전하는 고에너지 우주선(UHECRs)이 GZK 절단값을 초월하는 데서 발생하는 역설을 해결하기 위해.
• UHECRs가 먼 천체물리적 원천이 아니라 붕괴하는 거대한 유물 입자(위mps지라)에서 유래하는지 조사하기 위해.
• 관측 데이터와의 비교를 통해 위mps지라가 암흑물질 후보로 타당한지 검증하기 위해.
• 미래의 실험, 예를 들어 피에에르 아제르와 EUSO가 천체물리적 원천과 새로운 물리학적 기원 간의 차이를 어떻게 식별할 수 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• LEP 에너지에서 붕괴하는 위mps지라의 질량 스케일까지 분할 함수의 진화를 위해 DGLAP 진화 방정식을 사용한다.
• 위mps지라의 강입자 붕괴 생성물을 QCD 분할 함수를 사용하여 뉴클레온의 에너지 스펙트럼을 예측한다.
• 다양한 밀도 프로파일(두꺼운 중심, 등온, 삼축, 기울인)을 가진 은하 암흑물질 허브를 모델링하여 UHECRs의 각도 분포를 시뮬레이션한다.
• 기대되는 비균일성 파wer 스펙트럼을 계산하고, UHECR 도착 방향에 대한 관측 제약 조건과 비교한다.
• 허버하르크 경계 조건을 고려하여, 라디오 배경에서의 가능성을 고려한 붕괴에서 유래한 광자 성분을 평가한다.
• 허브 내의 암흑물질 분포의 덩어리진 특성으로 인한 UHECR 도착 방향에서의 군집 가능성 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은하 허브 내에서 붕괴하는 거대한 유물 입자에 의한 UHECR 스펙트럼이 GZK 절단값을 초월하는 관측 결과를 설명할 수 있는가?
• RQ2 만약 UHECRs가 다양한 허브 형상(두꺼운 중심, 등온 등)을 가진 붕괴하는 위mps지라에서 유래한다면, UHECR 도착 방향에서 기대되는 비균일성 패턴은 어떠한가?
• RQ3 위mps지라 붕괴에서 예측되는 광자 및 뉴클레온 성분은 허버하르크 데이터와 어떻게 비교되는가? 특히 라디오 배경에서의 감쇠가 중요할 수 있다.
• RQ4 UHECR 이벤트의 군집화는 비균일한 천체물리적 원천과는 대조되는 위mps지라 붕괴의 서명으로 사용될 수 있는가?
• RQ5 미래의 실험, 예를 들어 피에에르 아제르와 EUSO가 위mps지라 붕괴와 다른 UHECR 기원 가설 간의 차이를 어느 정도 식별할 수 있는가?

주요 결과

• 질량이 $5 \times 10^{12}\,{\rm GeV}$ 인 위mps지라의 붕괴는 GZK 절단값을 초월하는 UHECRs의 '평탄한' 성분과 일치하는 뉴클레온 스펙트럼을 생성한다.
• 기대되는 비균일성 진폭은 두꺼운 중심 허브의 경우 약 $\sim 0.5$, 등온 허브의 경우 약 $\sim 0.3$로 감소하며, 최대 파워는 은하 중심 방향으로 향한다.
• 모델은 관측한 한계보다 약 2배 더 많은 광자 성분을 예측한다. 이는 라디오 배경에서의 광자 감쇠가 상당히 중요하지 않다면 허버하르크 데이터와의 갈등을 암시한다.
• M31의 허브는 위mps지라 가설에 대한 결정적인 증거를 제공할 정도로 밝지 않으며, M31와의 단순한 연관성을 배제한다.
• 암흑물질 허브의 덩어리진 구조로 인해 UHECR 도착 방향에서 관측 가능한 군집화를 모델이 예측한다. 이는 반증 가능한 서명을 제공한다.
• UHECRs가 무거운 원소로 이루어져 있음이 밝혀지면, 뉴클레온 지배적 조성 예측을 가진 위mps지라 붕괴 모델은 기각될 수 있다.