[論文レビュー] Neutron-mirror neutron oscillations for solving the puzzles of ultrahigh-energy cosmic rays

Wanpeng Tan|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2019

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 11

ひとこと要約

この論文は、ミラーマター枠組みにおける中性子-ミラーニュートリノ振動が、超高エネルギー宇宙線（UHECR）物理学における主要な謎を解消すると提案している。$T'/T \sim 0.3$ のミラー宇宙背景放射（CMB）温度比を仮定することで、GZKカットオフの抑制、遠方のミラーソースからのスーパーミニマムGZKイベントの起源、およびテレスコープアレイのホットスポットにおけるサブGZKとスーパーミニマムGZKイベントの反相関が説明可能となり、アイスキューブニュートリノやGW170729との相関を予測する。

ABSTRACT

Based on a newly proposed mirror-matter model of neutron-mirror neutron ($n-n'$) oscillations, the puzzles related to ultrahigh-energy cosmic rays (UHECRs) are explained. In particular, the phenomena around the Greisen-Zatsepin-Kuzmin (GZK) cutoff for UHECRs can be well understood under the new mirror matter model assuming a mirror-to-ordinary temperature ratio of $T'/T \sim 0.3$. The suppression factor of the GZK effect due to the opacity of cosmic microwave background is calculated and agrees with the observations well. Most of the super-GZK events (i.e., above the GZK cutoff), as predicted in the new model, come from mirror matter sources that are invisible to electromagnetic telescopes and can penetrate the mirror cosmic microwave background at much further distances. Most remarkably, the anti-correlation between super-GZK and sub-GZK events in the hotspot observed by the Telescope Array (TA) collaboration can be naturally understood in this model. The possible correlations between the UHECRs from the TA hotspot and other nearby powerful sources such as high energy neutrinos detected by IceCube, the largest black hole merger (GW170729) observed by LIGO, and the hottest star-forming supercluster Lynx Arc, are discussed as well under the new theory.

研究の動機と目的

• 超高エネルギー宇宙線（UHECR）観測における長年の謎、特にGZKカットオフの抑制とスーパーミニマムGZKイベントの起源を解消すること。
• テレスコープアレイのホットスポットにおけるサブGZKとスーパーミニマムGZKイベントの観測された反相関を説明すること。
• UHECR、高エネルギーニュートリノ（アイスキューブ）、重力波（GW170729）、およびリンクスアーク超銀河団との相関を調査すること。
• ミラーマター模型に $n-n'$ 振動を組み込むことでUHECRの異常を解消する可能性を検証すること。
• ミラーマター源がCMBの不透明性を回避し、地球で検出可能なUHECRを放出できる理論的枠組みを提供すること。

提案手法

• 通常のニュートロンがミラーニュートロン（$n \leftrightarrow n'$）に混在項を伴ってラグランジアン内で振動するミラーマター模型を採用する。
• ミラーミニマムCMB温度比 $T'/T \sim 0.3$ を用いて、GZK効果の抑制係数を計算し、観測データと一致させる。
• 宇宙空間を通過するUHECRの伝播をモデル化し、CMBにおける光分解反応損失を回避できる $n-n'$ 振動を考慮する。
• 光分解反応の平均自由行程を $l_\pi \sim 10^7$ 光年として計算し、$n-n'$ 振動が有効な伝播距離を延長することを示す。
• ミラーニュートリノにMSW効果を適用し、高エネルギー（$\sim 10^{14}$ eV）で共鳴的振動が通常ニュートリノに進行できることを可能にする。
• テレスコープアレイのホットスポットの方向と既知の天体的対象（GW170729、リンクスアーク）を照合し、ミラーソース仮説を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中性子-ミラーニュートロン振動は、GZKカットオフ近傍でのUHECR観測抑制を説明できるか？
• RQ2 なぜテレスコープアレイのホットスポットにおけるスーパーミニマムGZKイベント（E > 10^19.75 eV）はサブGZKイベントと反相関を示すのか？
• RQ3 ミラーマター源は電磁望遠鏡では検出不能であり、宇宙論的距離を伝播するUHECRを供給できるか？
• RQ4 UHECRとアイスキューブで検出された高エネルギーニュートリノの観測相関に物理的根拠はあるか？
• RQ5 GW170729のような重力波イベントやリンクスアークのような極端に星形成が活発な領域は、UHECRホットスポットと一致し、ミラーマター起源を支持するか？

主な発見

• モデルは、$T'/T \sim 0.3$ の条件下で、観測されたGZKカットオフ抑制をデータと整合する抑制係数とともに再現する。
• スーパーミニマムGZKイベントは、電磁望遠鏡では検出不能で、ミラーカオスCMBをほとんどエネルギー損失なく通過できる遠方のミラーマター源に起因する。
• テレスコープアレイホットスポットにおけるサブGZKとスーパーミニマムGZKイベントの反相関は、モデルの二重ソース起源（近距離の通常ソースによるサブGZK、遠方のミラーソースによるスーパーミニマムGZK）によって自然に説明できる。
• GW170729の距離距離（約2750 ± 1350 Mpc）は、ミラーソース検出に必要な距離スケールと一致し、ミラーソース起源を支持する。
• テレスコープアレイホットスポットの方向は、約1.2 × 10^10 光年の距離に位置するリンクスアーク超銀河団と一致し、遠方のミラーソースの予測と整合的である。
• このようなソースからの高エネルギーミラーニュートリノは共鳴的MSW振動を経て、アイスキューブで検出可能な通常ニュートリノに変換され、観測されたUHECR-ニュートリノ相関を説明できる。