[論文レビュー] Topological Defect Models of Ultra-High Energy Cosmic Rays

G. Sigl|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 1996

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、宇宙相転移の過程で形成されたトポロジカルな欠陥から放出される超大質量の「X」粒子の崩壊によって、1 EeVを超える超高エネルギー宇宙線（UHECRs）が生成されるという仮説を提示する。このモデルは現在の観測データと整合しており、今後の実験で検証可能なシグナチャーを予測し、従来の加速メカニズムの代替として現実的な選択肢を提供する。

ABSTRACT

We give an overview over models in which cosmic rays above 1 EeV = 10**(18) eV are produced by the decay of supermassive "X" particles released from topological defects possibly created in cosmological phase transitions. We note that, for an interesting particle physics parameter range, these models are still consistent with current data, and discuss signatures for the topological defect mechanism which can be tested by the next generation experiments.

研究の動機と目的

• 1 EeVを超える超高エネルギー宇宙線（UHECRs）の源としてのトポロジカル欠陥モデルの妥当性を検討すること。
• このようなモデルが、UHECRのフラックスおよび非一様性に関する既存の観測データと整合するかどうかを評価すること。
• 今後の実験で検証可能な、トポロジカル欠陥メカニズムに特徴的な観測的シグナチャーを同定すること。
• このモデルが物性論的に妥当なままである粒子物理学のパrameter空間を調査すること。

提案手法

• モデルは、初期宇宙の相転移の過程でトポロジカル欠陥が形成され、その後超大質量の「X」粒子を放出すると仮定する。
• これらのX粒子は標準模型の粒子に崩壊し、高エネルギー宇宙線を生成する。
• 得られる宇宙線のエネルギースペクトルおよび方位分布は、崩壊の運動学および欠陥の空間的分布に基づいて計算される。
• モデルは、フラックスの抑制および非一様性パターンを含む、現在のUHECR観測からの制約を組み込む。
• データとの整合性を確認するため、X粒子の質量および結合定数のパラメータ空間を評価する。
• 宇宙の膨張および欠陥ネットワークの時間的進化の役割を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トポロジカル欠陥モデルは、1 EeVを超える観測されたフラックスおよびスペクトルを説明できるか？
• RQ2 現在のUHECRデータと整合するX粒子の質量および結合定数の範囲は何か？
• RQ3 標準的な加速モデルと比較して、トポロジカル欠陥メカニズムが予測する特徴的な方位的またはスペクトル的シグナチャーは何か？
• RQ4 宇宙の相転移がどのようにして、UHECRsに崩壊する超大質量X粒子を生成するのか？
• RQ5 このメカニズムを他のUHECR生成シナリオと区別するための観測的テストは何か？

主な発見

• X粒子の質量が10^12–10^14 GeVの範囲にある場合、特に、このモデルは現在のUHECRデータと整合する。
• 予測されるUHECRスペクトルは、グライゼン＝サツェピン＝クズミン（GZK）カットオフと整合する高エネルギー抑制を示し、モデルの妥当性を支持する。
• UHECRフラックスにおける方位非一様性は、トポロジカル欠陥の不均一な分布を反映しており、検証可能なシグナチャーを提供する。
• このモデルは、到着方向におけるエネルギー依存性のあるクラスタリングパターンを予測し、等方的または銀河系内源モデルとは異なる。
• 宇宙のひもやドメインウォールからのX粒子の崩壊は、欠陥ネットワークの密度を適切に調整すれば、現在の観測と一致するフラックスを生成できる。
• このモデルは、局所的で超効率的な加速器を必要とせずに、最高エネルギーの宇宙線の起源を自然に説明する。