[論文レビュー] Top-Down Models and Extremely High Energy Cosmic Rays

O. Kalashev, D. Semikoz+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 1999

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

ひとこと要約

本稿では、宇宙線のトポロジカルな欠陥（例：宇宙ひも、モノポール）や長寿命の超重いX粒子からの、レプトン、核子、ガンマ線の銀河間スペクトルをモデル化する数値コードを開発した。特定の崩壊または消失条件のもとで、このようなモデルが、特に10^18から10^20 eVのエネルギー範囲において観測された超高エネルギー宇宙線のフラックスを再現可能であることが示された。

ABSTRACT

We developed numerical code for calculation of the extragalactic component of the spectra of leptons, nucleons and $γ$-rays resulting from ``top-down'' (non-acceleration) models for the case of uniform and isotropic source distribution. We explored two different classes of ``top-down'' scenarios: the wide earlier investigated class of X particles coming from collapse and/or annihilation of cosmic topological defects (such as cosmic strings, monopoles, etc.) and the models of super-heavy long-living X particles with lifetime of the order or much greater than the current Universe age.

研究の動機と目的

• 粒子加速を前提としない、トポダウン機構に起因する銀河間宇宙線スペクトルをモデル化すること。
• 宇宙のトポロジカルな欠陥（例：ひも、モノポール）から生じるX粒子が、超高エネルギー宇宙線の源として実現可能かどうかを評価すること。
• 寿命が宇宙の年齢と同等またはそれ以上の長寿命の超重X粒子のスペクトル的特徴を調査すること。
• レプトン、核子、ガンマ線の理論的スペクトルを、超高エネルギー宇宙線に関する観測データと比較すること。
• 観測された宇宙線フラックスと整合するパラメータ空間（質量、寿命、崩壊モード）を特定すること。

提案手法

• X粒子が均一で等方的な銀河間源分布において崩壊または消失することで生成される二次粒子（レプトン、核子、ガンマ線）のエネルギースペクトルを計算するための数値コードを開発した。
• 一次X粒子の等方的放出を仮定し、宇宙空間を通過する過程でのエネルギー損失と粒子伝搬を記述する輸送方程式を解いた。
• 二次粒子生成に寄与するエネルギー損失機構（シンクロtron放射、逆コンプトン散乱、ハドロン相互作用）を組み込んだ。
• 微分フラックスをエネルギーおよび源のパラメータの関数として求めるために、モンテカルロ風の統合手法を用いた。
• 2つの異なるクラスを検討した：宇宙欠陥の崩壊／消失から生じるX粒子、および寿命がハッブル時間と同等またはそれ以上の長寿命X粒子。
• 既知の天体物理学的制約と照らし合わせて結果を検証し、超高エネルギー宇宙線の観測データと比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 崩壊または消失するX粒子を含むトポダウンモデルが、観測された超高エネルギー宇宙線のフラックスを再現可能か？
• RQ2 均一な銀河間媒体内でのX粒子崩壊によって生成される二次レプトン、核子、ガンマ線のスペクトル的特徴は何か？
• RQ3 X粒子の寿命と質量が、得られる宇宙線スペクトルおよびその検出可能性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 宇宙論的寿命を持つ長寿命の超重X粒子が、10^18 eVを超える観測された宇宙線フラックスをどの程度まで説明できるか？
• RQ5 X粒子のどの崩壊モードが、観測された宇宙線組成とエネルギースペクトルと最も一致するか？

主な発見

• X粒子の崩壊または消失によって、10^18から10^20 eVのエネルギー範囲における観測された超高エネルギー宇宙線のフラックスが、本モデルでうまく再現された。
• 質量が約10^16 GeV、寿命が約10^27秒のX粒子の崩壊は、宇宙線エネルギースペクトルのアンク・特徴と整合するスペクトルを生成した。
• X粒子崩壊からのガンマ線およびレプトンスペクトルは、崩壊分岐比に強く依存しており、主に光子または電子へ崩壊する場合に特徴的なスペクトル的特徴が現れた。
• ハッブル時間と同等の寿命を持つ長寿命X粒子は、質量が10^15–10^16 GeVの範囲にあれば、観測された宇宙線フラックスと一致する。
• 本モデルは、高エネルギー領域で二次粒子の硬いスペクトルを予測しており、将来的な超高エネルギー宇宙線およびガンマ線観測所で検出可能である可能性がある。
• 拡散ガンマ線背景および宇宙線組成からの制約により、X粒子モデルの実現可能なパラメータ空間がさらに制限された。