[论文解读] Anihelium flux from antimatter globular cluster

Maxim Khlopov, Anastasia Kirichenko+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 13, 2020

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 11被引用 5

一句话总结

本文提出，银河系晕中的反物质球状星团可能在宇宙射线中产生可探测的反氦通量，通过建模其在银河系磁场中的传播过程。利用物质与反物质之间的对称性，作者估算此类星团产生的反粒子能量密度，并模拟粒子输运过程，发现预测的反氦通量与AMS-02的探测灵敏度限值一致。

ABSTRACT

Macroscopic cosmic antimatter objects are predicted in baryonasymmetrical Universe in the models of strongly nonhomogeneousbaryosynthesis. We test the hypothesis of the existence of an oldglobular cluster of anti-stars in the galactic halo by evaluating theflux of helium anti-nuclei in galactic cosmic rays. Due to the symme-try of matter and antimatter we assume that the antimatter clusterevolves in a similar way as a matter cluster. The energy density ofantiparticles in galactic cosmic rays from antimatter globular clusteris estimated. We propose a method for the propagation of a fluxof antinuclei in a galactic magnetic field from the globular cluster ofantistars in the Galaxy.

研究动机与目标

• 检验假设：古老的反恒星球状星团存在于银河系晕中，并在宇宙射线中释放反氦。
• 估算此类反物质星团产生的高能反粒子的能量密度。
• 模拟反核子通过银河系磁场的传播过程，以评估其可探测性。
• 将预测的反氦通量与AMS-02的实验限值及二级产生模型进行比较。
• 为通过宇宙射线反氦信号识别反物质恒星提供一个框架。

提出的方法

• 假设物质与反物质星团之间具有对称性，将反物质球状星团（GCs）如M4视为已知物质GCs的类比。
• 利用超新星爆发率、每次爆发的能量及星团体积，计算宇宙射线中反粒子的能量密度。
• 采用基于[25]的磁场模型，使用柱坐标系中的分量（B_R, B_φ, B_z），并根据太阳系观测数据进行校准。
• 使用数值程序模拟粒子轨迹，输入坐标并输出磁场分量。
• 通过建模能量损失与磁场中的偏转，估算反核子穿透银河系盘面的比例。
• 使用公式(1)计算反粒子能量密度，并与观测值及二级产生水平进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 银河系晕中反物质球状星团的存在是否可能在宇宙射线中产生可探测的反氦通量？
• RQ2 此类星团产生的反粒子预期能量密度是多少？与宇宙射线观测能量密度相比如何？
• RQ3 银河系磁场如何影响来自遥远反物质星团的反核子传播与可探测性？
• RQ4 预测的反氦通量在多大程度上超过二级产生背景，并处于AMS-02的探测灵敏度范围内？
• RQ5 反核子在通过磁场传播后，需具备的最小能量是多少才能到达银河系盘面？

主要发现

• 反物质球状星团产生的反粒子能量密度估算值为 ρ̄_CR ~ 10⁻⁴ eV/cm³，远低于物质宇宙射线能量密度（~1 eV/cm³）。
• 预测的反粒子能量密度高于二级反质子的能量密度（ρ̄_p ~ 10⁻⁵ eV/cm³），表明可能存在天体物理起源。
• 该模型预测反物质星团可产生可探测的反氦通量，其通量水平可能处于AMS-02灵敏度范围内。
• 对银河系磁场中粒子运动的模拟表明，反核子可能被偏转并损失能量，需仔细建模以估算其穿透盘面的能力。
• 基于[25]建模的磁场拓扑结构显示，盘面内存在螺旋状磁力线及发散的垂直分量，影响粒子轨迹。
• 本研究建立了预测反物质星团反氦通量的框架，为未来宇宙射线实验提供了可检验的信号。