[论文解读] Constraints on top-down models for the origin of UHECRs from the Pierre Auger Observatory data

D. Semikoz|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2007

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 5被引用 11

一句话总结

本文利用皮埃尔·阿杰尔天文台的数据，评估了针对超高能宇宙射线（UHECRs）的自上而下模型。研究发现，除非超重暗物质（SHDM）模型仅在约100 EeV以上贡献，否则其受到强烈限制；而拓扑缺陷（TD）模型仍具可行性，未来高能中微子数据或可进一步约束这些模型。

ABSTRACT

Taking into account the Pierre Auger Observatory limits on the photon fraction among the highest energy cosmic rays, we show that the models based on the decay of super-heavy dark matter in the halo of our Galaxy are essentially excluded from being the sources of UHECRs unless their contribution becomes significant only above 100 EeV. Some top-down models based on topological defects are however compatible with the current data and may be best constrained in the future by the high-energy neutrino flux limit.

研究动机与目标

• 评估自上而下模型（特别是超重暗物质（SHDM）和拓扑缺陷（TD）情景）解释超高能宇宙射线（UHECRs）起源的可行性。
• 评估皮埃尔·阿杰尔天文台对UHECR能谱、光子分数和高能中微子通量的测量结果如何约束这些模型。
• 确定SHDM和TD模型在何种条件下仍能与现有观测限制保持一致。
• 识别哪些模型仍具可行性，哪些可能被现有或未来数据排除。

提出的方法

• 使用皮埃尔·阿杰尔天文台测量的UHECR能谱高能尾部，拟合来自SHDM和TD模型的衰变产物。
• 利用阿杰尔的光子/强子区分能力，假设质子为主要成分，基于关系式 $ E_p = E_\gamma / 2 $ 估算表观光子分数。
• 利用阿杰尔2006年和2007年的光子分数实验上限，约束SHDM和TD模型参数。
• 评估TD模型预测的高能中微子通量，并与阿杰尔的中微子通量上限进行比较。
• 分析传播效应对UHECR的影响，包括GZK抑制和光子与星系际背景光的相互作用。
• 将模型预测与EGRET弥散伽马射线背景限制进行比较，以排除产生过多级联光子的模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 超重暗物质（SHDM）模型能否在与阿杰尔光子分数限制一致的前提下，解释观测到的UHECR通量？
• RQ2 根据阿杰尔当前数据，SHDM模型允许的最大光子分数是多少？其在何种能量阈值下才具可行性？
• RQ3 拓扑缺陷（TD）模型是否与皮埃尔·阿杰尔天文台当前的光子分数和中微子通量限制相容？
• RQ4 传播效应如何影响基于TD的UHECR模型中预测的光子/质子比？
• RQ5 未来皮埃尔·阿杰尔天文台的高能中微子数据在哪个能量范围内最能有效约束基于TD的自上而下模型？

主要发现

• 除非SHDM模型的贡献仅在约100 EeV以上才显著，否则其作为UHECR主要来源的模型被排除。
• 除非SHDM模型在约100 EeV以下的贡献为次主导，否则其光子分数将超过阿杰尔的实验上限。
• 拓扑缺陷（TD）模型与当前阿杰尔数据相容，尤其因为传播过程会相对抑制光子成分。
• TD模型预测的高能中微子通量在当前阿杰尔中微子通量上限范围内，因此仍具可行性。
• 未来皮埃尔·阿杰尔天文台的高能中微子数据或可为基于TD的自上而下模型提供最强约束。
• TD模型产生的弥散伽马射线通量低于EGRET限制，因此未被伽马射线背景观测所排除。