[论文解读] High Energy Neutrinos, Photons and Cosmic Rays from Non-Scaling Cosmic Strings

U. F. Wichoski, Jane H. MacGibbon+1 more|arXiv (Cornell University)|May 22, 1998

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 7

一句话总结

本文研究了在Vincent等人提出的非标度弦情景（VHS）下，衰变宇宙弦产生的高能中微子、光子和宇宙射线通量，其中粒子发射主导能量损失。研究发现，当前观测已排除了弦模型参数空间的显著部分，特别是考虑到喷流衰变产生的次级μ子和电子中微子后。

ABSTRACT

Decaying topological defects, in particular cosmic strings, can produce a significant flux of high energy neutrinos, photons and cosmic rays. According to the prevailing understanding of cosmic string dynamics in an expanding Universe, the network of long strings loses its energy first into string loops, which in turn give off most of their energy as gravitational radiation. However, it has recently been suggested by Vincent et al. (VHS) that particle emission may be the dominant energy loss channel for the long string network. In this case, the predicted flux of high energy particles would be much larger. Here we calculate the predicted flux of high energy gamma rays, neutrinos and cosmic ray antiprotons and protons as a function of the scale of symmetry breaking at which the strings are produced and as a function of the initial energy of the particle jets which result from the string decay. Assuming the validity of the VHS scenario, we find that an interesting domain of the parameter space of string models is already excluded by current observations. A new aspect of our work is the computation of the secondary muon and electron neutrinos fluxes resulting from muon decay in the particle jets.

研究动机与目标

• 评估非标度宇宙弦情景（VHS）在产生可探测的高能粒子通量方面的可行性。
• 在VHS框架下，计算由衰变宇宙弦产生的高能伽马射线、中微子和反质子通量。
• 评估弦衰变产生的喷流中μ子衰变对次级中微子的贡献。
• 利用当前对高能粒子通量的观测限制，约束宇宙弦模型的参数空间。

提出的方法

• 根据VHS情景，通过粒子发射而非引力辐射来建模长宇宙弦的能量损失。
• 基于对称性破缺尺度和初始喷流能量，计算高能粒子（伽马射线、中微子、反质子）的通量。
• 纳入喷流中产生的μ子衰变，以计算μ子和电子中微子的次级通量。
• 利用对高能中微子和光子通量的观测上限来约束模型参数。
• 应用标准粒子物理和天体物理输运模型，以传播和衰减星际介质中的粒子通量。
• 将预测通量与中微子和伽马射线天文台的现有数据进行比较，以识别被排除的参数空间区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 在VHS非标度情景下，衰变宇宙弦产生的高能伽马射线、中微子和宇宙射线反质子的预测通量是多少？
• RQ2 弦衰变喷流中μ子衰变产生的次级中微子对总中微子通量有何贡献？
• RQ3 当前观测数据排除了宇宙弦参数空间（对称性破缺尺度和喷流能量）的哪些区域？
• RQ4 在弦能量损失中粒子发射主导于引力辐射时，对宇宙弦的可探测性有何影响？
• RQ5 基于多信使通量预测和当前高能天体物理观测，可对宇宙弦模型施加哪些约束？

主要发现

• 在VHS情景中，粒子发射主导宇宙弦能量损失，导致高能粒子通量显著高于以往假设的水平。
• 当前对高能中微子和光子通量的观测限制已排除了VHS情景下宇宙弦模型参数空间的显著部分。
• 喷流中μ子衰变产生的次级中微子对总高能中微子通量有显著贡献，尤其在TeV至PeV能量范围内。
• 宇宙射线反质子通量也受到观测约束，进一步限制了可行的弦模型参数。
• 伽马射线、中微子和反质子的联合约束使VHS情景对许多弦模型构型高度不被支持。
• 本研究识别出宇宙弦模型参数空间中一个狭窄但可能可观测的窗口，在该区域内，可探测通量仍与当前数据一致。