[論文レビュー] Anihelium flux from antimatter globular cluster

Maxim Khlopov, Anastasia Kirichenko+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 13, 2020

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 11被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、はくちょう座銀河のハローに存在する反物質の球状星団が、銀河の磁場を通過する際に宇宙線中に検出可能な反ヘリウムフラックスを生成する可能性を提案している。物質と反物質の対称性を用いて、このような星団からの反粒子のエネルギー密度を推定し、粒子輸送をシミュレートすることで、AMS-02の感度限界と整合する予測される反ヘリウムフラックスが得られた。

ABSTRACT

Macroscopic cosmic antimatter objects are predicted in baryonasymmetrical Universe in the models of strongly nonhomogeneousbaryosynthesis. We test the hypothesis of the existence of an oldglobular cluster of anti-stars in the galactic halo by evaluating theflux of helium anti-nuclei in galactic cosmic rays. Due to the symme-try of matter and antimatter we assume that the antimatter clusterevolves in a similar way as a matter cluster. The energy density ofantiparticles in galactic cosmic rays from antimatter globular clusteris estimated. We propose a method for the propagation of a fluxof antinuclei in a galactic magnetic field from the globular cluster ofantistars in the Galaxy.

研究の動機と目的

• 古くから存在する反星の球状星団が銀河のハローに存在し、宇宙線として反ヘリウムを放出するという仮説を検証すること。
• このような反物質星団が生成する高エネルギー反粒子のエネルギー密度を推定すること。
• 銀河の磁場を通過する反核種の輸送をシミュレートし、検出可能性を評価すること。
• 予測された反ヘリウムフラックスをAMS-02の実験的限界および二次生成モデルと比較すること。
• 宇宙線の反ヘリウムシグナルを通じて反物質星を同定するためのフレームワークを提供すること。

提案手法

• 物質と反物質の星団の間の対称性を仮定し、既知の物質の球状星団（例：M4）を模倣して反物質の球状星団（GC）をモデリングする。
• 超新星の発生レート、爆発あたりのエネルギー、および星団の体積を用いて、宇宙線中の反粒子のエネルギー密度を計算する。
• 太陽系の観測に合わせた[25]に基づく磁場モデルを採用し、円柱座標（B_R, B_φ, B_z）で表される成分を用いる。
• 数値プログラムを用いて、入力座標と出力磁場成分を用いて銀河磁場内での粒子軌道をシミュレートする。
• 磁場内でのエネルギー損失と偏光をモデル化することで、反核種が銀河ディスクに到達する割合を推定する。
• 式（1）を用いて反粒子のエネルギー密度を計算し、観測値および二次生成レベルと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河のハローに反物質の球状星団が存在する場合、それが宇宙線中に検出可能な反ヘリウムフラックスを生成できるか？
• RQ2 このような星団からの反粒子の期待エネルギー密度は何か？ また、観測された宇宙線エネルギー密度と比べてどうか？
• RQ3 銀河の磁場が、遠く離れた反物質星団からの反核種の輸送および検出可能性にどのように影響するか？
• RQ4 予測された反ヘリウムフラックスは、二次生成の背景をどれほど上回り、AMS-02の感度範囲内に収まるか？
• RQ5 反核種が磁場を通過した後、銀河ディスクに到達するには、最低何エネルギーを必要とするか？

主な発見

• 反物質の球状星団からの反粒子の推定エネルギー密度は ρ̄_CR ~ 10⁻⁴ eV/cm³ であり、物質の宇宙線エネルギー密度（~1 eV/cm³）と比べて顕著に低い。
• 予測された反粒子エネルギー密度は、二次生成反プロトンのエネルギー密度（ρ̄_p ~ 10⁻⁵ eV/cm³）よりも高いため、天体物理学的起源の可能性を示唆している。
• モデルは反物質星団からの検出可能な反ヘリウムフラックスを予測しており、AMS-02の感度範囲内に達する可能性がある。
• 銀河磁場内での粒子運動のシミュレーションから、反核種は偏光を受けてエネルギーを失い、ディスクへの到達に影響を受けることが示された。正確なディスク到達率を推定するには、詳細なモデリングが必要である。
• [25] からのモデル化された磁場トポロジーは、ディスク面でのらせん状の磁場線と発散する垂直成分を示しており、粒子の軌道に影響を与える。
• 本研究は、反物質星団からの反ヘリウムフラックスを予測するフレームワークを確立し、将来的な宇宙線実験における検証可能なシグナルを提供した。