[논문 리뷰] Ultra High Energy Cosmic Rays: Strangelets? -- Extra dimensions, TeV-scale black holes and strange matter

Renxin Xu, Fei Wu|CERN Bulletin|2002. 12. 04.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 초고에너지 우주선(UHECRs)이 GZK 절단값을 초과할 경우, 중성자 또는 표준 입자가 아니라 이상 쿼크 물질의 안정된 덩어리인 스트레인지릿일 수 있다고 제안한다. 이는 벗어난 이상 별(BSSs)이 UHECRs에 의해 태양계의 테바 스케일 블랙홀을 생성할 수 있으며, 만약 두 개의 추가 공간 차원이 존재한다면, 그로 인해 발생하는 중성자율은 10⁻²⁶ cm⁻²s⁻¹ 이하로 억제되어 중성자 탐지가 불가능할 것이며, 이는 표준 중성자 모델보다 스트레인지릿 가설을 지지한다.

ABSTRACT

The conjecture that ultra high energy cosmic rays (UHECRs) are actually strangelets is discussed. Besides the reason that strangelets can do as cosmic rays beyond the GZK-cutoff, another argument to support the conjecture is addressed in this letter via the study of formation of TeV-scale microscopic black holes when UHECRs bombarding bare strange stars. It is proposed that the exotic quark surface of a bare strange star could be an effective astro-laboratory in the investigations of the extra dimensions and of the detection of ultra-high energy neutrino fluxes. The flux of neutrinos (and other point-like particles) with energy >2.3 x 10^{20} eV could be expected to be smaller than 10^{-26} cm^{-2}$ s^{-1} if there are two extra spatial dimensions.

연구 동기 및 목표

• GZK 절단값을 초과하는 초고에너지 우주선(UHECRs)이 표준 입자가 아니라 스트레인지릿일 수 있는지 조사하기.
• UHECR 충돌에 의해 형성되는 테바 스케일 블랙홀의 천체물리적 의미를 BSSs를 중심으로 탐구하기.
• 특히 두 개의 추가 차원이 존재하는 모델에서 초고에너지 중성자의 탐지 가능성 평가하기.
• 특히 추가 차원의 맥락에서 관측된 UHECR의 유량과 에너지 스펙트럼이 중성자보다 스트레인지릿과 더 일치하는지 평가하기.
• BSSs를 자연 실험실로 삼아 이상 물질, 추가 차원, 고에너지 천체물리 현상 간의 통합적 프레임워크 제공하기.

제안 방법

• 큰 추가 차원의 Arkani-Hamed–Dimopoulos–Dvali(ADD) 모델을 사용하여 n = 2에서 7까지의 추가 차원에 대해 기본 중력 스케일 M*과 콪팩티피케이션 반지름 R을 유도한다.
• D차원 블랙홀에 대한 슈바르츠실트 반지름 공식을 적용하여 고에너지 충돌에서 형성된 테바 스케일 블랙홀의 크기를 추정한다.
• BSS 내에서 중성자-쿼크 충돌의 질량 중심 에너지를 계산하여 블랙홀 형성의 임계 조건을 도출한다.
• 블랙홀 형성 빈도와 추가 차원을 고려하여 초고에너지 중성자율의 상한선을 유도하며, M_BH > M* 조건을 사용한다.
• RICE 및 Fly's Eye/AGASA 실험의 관측 상한선과 예측된 중성자율을 비교하여 추가 차원의 수를 제약 조건으로 설정한다.
• 스트레인지릿이 UHECR 후보로 타당한지 평가하기 위해 전하 대 질량 비율, 가속 가능 잠재력, 대기 중 전파 시 복사 손실을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 에너지 >10²⁰ eV인 초고에너지 우주선(UHECRs)이 중성자나 프로톤 대신 스트레인지릿일 수 있는가?
• RQ2 우리 우주에 두 개의 추가 공간 차원이 존재한다면, 초고에너지 중성자율은 예상되며, 관측 상한선과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 벗어난 이상 별(BSSs)은 테바 스케일 블랙홀 탐지 및 추가 차원 탐구를 위한 효과적인 천체물리 실험실이 될 수 있는가?
• RQ4 두 개의 추가 차원 모델에서 초고에너지 중성자율이 억제됨으로써, 중성자가 UHECR 후보에서 배제되는가?
• RQ5 어떤 천체물리적 메커니즘이 GZK 절단값을 초월하는 에너지를 갖는 스트레인지릿을 생성하고 가속화할 수 있는가?

주요 결과

• 두 개의 추가 공간 차원이 존재한다면, 에너지 >2.3×10²⁰ eV인 초고에너지 중성자율은 10⁻²⁶ cm⁻²s⁻¹ 이하로 예측되며, 현재의 관측 상한선과 일치한다.
• 두 개의 추가 차원 모델에서 중성자율 억제는 관측된 UHECR 사건과 충돌하며, 이는 UHECRs가 중성자가 아니라는 것을 뒷받침하며, 스트레인지릿 가설을 지지한다.
• UHECRs가 에너지 ≥10¹⁹ eV로 벗어난 이상 별의 쿼크와 충돌할 경우, 질량 중심 에너지가 기본 플랑크 스케일 M*를 초과하면 테바 스케일 블랙홀이 형성될 수 있다.
• n=2개의 추가 차원일 경우, 중성자-쿼크 충돌에서 블랙홀 형성의 임계 에너지는 E_ν > 2.3×10²⁰ eV이며, 이는 관측된 UHECR 에너지 이하이다.
• 바리온 수 A ~ 10⁹인 스트레인지릿은 돌고 있는 이상 별의 단극 전기장에서 약 10²⁰ eV까지 가속화될 수 있으며, 높은 바리온 수로 인해 복사 에너지 손실이 극히 미미하다.
• RICE 데이터에서 초고에너지 중성자 사건이 관측되지 않은 점과 함께 유량 상한선을 고려하면, UHECRs가 중성자가 아니라 스트레인지릿일 가능성이 더욱 높아지며, 특히 두 개의 추가 차원이 존재할 경우 더욱 그렇다.