[論文レビュー] Constraints on top-down models for the origin of UHECRs from the Pierre Auger Observatory data

D. Semikoz|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2007

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 5被引用数 11

ひとこと要約

本稿は、ピエール・オーリェル観測所のデータを用いて、超高エネルギー宇宙線（UHECR）のトップダウンモデルを評価している。スーパーヒビッグダークマター（SHDM）モデルは、100 EeV以上での寄与に限る場合を除き強く制約を受けるが、トポロジカルデフェクト（TD）モデルは依然として妥当であり、今後の高エネルギーニュートリノデータによってさらに制約を受ける可能性がある。

ABSTRACT

Taking into account the Pierre Auger Observatory limits on the photon fraction among the highest energy cosmic rays, we show that the models based on the decay of super-heavy dark matter in the halo of our Galaxy are essentially excluded from being the sources of UHECRs unless their contribution becomes significant only above 100 EeV. Some top-down models based on topological defects are however compatible with the current data and may be best constrained in the future by the high-energy neutrino flux limit.

研究の動機と目的

• 超高エネルギー宇宙線（UHECR）の起源を説明するためのトップダウンモデル—特にスーパーヒビッグダークマター（SHDM）およびトポロジカルデフェクト（TD）シナリオ—の妥当性を評価すること。
• ピエール・オーリェル観測所が測定したUHECRエネルギースペクトル、光子分率、および高エネルギーニュートリノフラックスが、これらのモデルをどのように制約するかを評価すること。
• SHDMおよびTDモデルが現在の観測限界と整合する条件を特定すること。
• 現在のデータまたは今後のデータによって、どのモデルが依然として妥当であり、どのモデルが除外されるかを特定すること。

提案手法

• ピエール・オーリェル観測所が測定したUHECRスペクトルの高エネルギー尾部を、SHDMおよびTDモデルからの崩壊生成物を用いてフィットする。
• オーリェルの光子／ハドロン識別能力を応用し、陽子を主生成粒子と仮定して、誤識別された光子を想定した見かけの光子分率を推定する。この際、$ E_p = E_\gamma / 2 $ の関係を用いる。
• オーリェル2006年および2007年の光子分率の実験的上限を用いて、SHDMおよびTDモデルのパラメータを制約する。
• TDモデルからの予測される高エネルギーニュートリノフラックスを評価し、オーリェルのニュートリノフラックス上限と比較する。
• UHECRの伝播効果（GZK抑制および光子と銀河間背景光との相互作用）を分析する。
• モデル予測をEGRETの拡散ガンマ線背景限界と比較し、過剰なキャスケード光子を生成するモデルを除外する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スーパーヒビッグダークマター（SHDM）モデルは、オーリェルの光子分率限界と整合しながら、観測されたUHECRフラックスを説明できるか？
• RQ2 オーリェルの現在のデータを踏まえた場合、SHDMモデルで許容される最大の光子分率は何か？ また、どのようなエネルギー閾値でモデルが妥当性を獲得するのか？
• RQ3 トポロジカルデフェクト（TD）モデルは、ピエール・オーリェル観測所の現在の光子分率およびニュートリノフラックス限界と整合するか？
• RQ4 伝播効果は、TDに基づくUHECRモデルにおける予測される光子対陽子比にどのように影響を与えるか？
• RQ5 今後の高エネルギーニュートリノデータから、ピエール・オーリェル観測所がTDベースのトップダウンモデルを最も効果的に制約できるエネルギー範囲はどこか？

主な発見

• SHDMモデルは、100 EeV未満で支配的である場合を除き、UHECRの主因として除外される。
• SHDMモデルの光子分率は、モデルの寄与が100 EeV未満で支配的でない限り、オーリェルの実験的上限を超える。
• トポロジカルデフェクト（TD）モデルは、伝播によって源からの光子成分が相対的に抑制されるため、現在のオーリェルデータと整合性を保っている。
• TDモデルからの予測される高エネルギーニュートリノフラックスは、現在のオーリェルのニュートリノフラックス上限内にあり、妥当な候補である。
• 今後のピエール・オーリェル観測所の高エネルギーニュートリノデータが、TDベースのトップダウンモデルに対して最も強い制約をもたらす可能性がある。
• TDモデルは、EGRET限界を下回る拡散ガンマ線フラックスを生成するため、ガンマ線背景観測によって除外されない。