[论文解读] Cosmic Ray Positrons from Cosmic Strings

Robert Brandenberger, Yi-Fu Cai+2 more|ArXiv.org|Jan 22, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 46被引用 9

一句话总结

该论文提出，在10–600 GeV能量范围内观测到的宇宙射线正电子源自非超导宇宙弦中尖点湮灭产生的粒子喷流。该模型预测能谱具有接近600 GeV的陡峭上限截止，并且在截止能量附近通量上升，与PAMELA和ATIC数据高度一致，且不依赖于尖点动力学的细节，峰值能量由初始喷流能量决定，通量幅度由弦张力和湮灭效率调节。

ABSTRACT

We study the spectrum of cosmic ray positrons produced by a scaling distribution of non-superconducting cosmic strings. In this scenario, the positrons are produced from the jets which form from the cosmic string cusp annihilation process. The spectral shape is a robust feature of our scenario, and is in good agreement with the results from the recent PAMELA and ATIC experiments. In particular, the model predicts a sharp upper cutoff in the spectrum, and a flux which rises as the upper cutoff is approached. The energy at which the flux peaks is determined by the initial jet energy. The amplitude of the flux can be adjusted by changing the cosmic string tension and also depends on the cusp annihilation efficiency.

研究动机与目标

• 解释在10–600 GeV范围内观测到的宇宙射线正电子通量过剩，该过剩超出天体物理背景预测。
• 提出一种通过非超导宇宙弦中尖点湮灭产生正电子的机制，独立于暗物质或脉冲星模型。
• 匹配PAMELA和ATIC实验观测到的能谱形状，特别是接近600 GeV的陡峭截止和截止附近的上升通量。
• 确定正电子通量对宇宙弦张力和尖点湮灭效率的依赖关系，从而对弦模型施加约束。
• 提供一种稳健且与模型无关的能谱形状预测，不依赖于尖点动力学的细节。

提出的方法

• 在固定分数的哈勃半径处形成宇宙弦环，假设其服从标度分布。
• 应用尖点湮灭机制，即局域化的弦尖点发射高能粒子喷流，包括正电子。
• 使用来自尖点发射的喷流能量谱，其截止能量由初始喷流质量 $ m_f $ 决定。
• 通过在环分布上积分并考虑银河系内的传播效应，计算宇宙射线正电子通量。
• 引入尖点湮灭效率因子 $ \epsilon $ 和弦张力 $ G\mu $，二者共同调节通量幅度。
• 将模型预测与PAMELA和ATIC数据对比，以约束 $ m_f $、$ G\mu $ 和 $ \epsilon $。

实验结果

研究问题

• RQ1 宇宙弦尖点湮灭能否重现ATIC和PAMELA观测到的接近600 GeV的陡峭能谱截止及截止附近的上升通量？
• RQ2 在宇宙弦模型中，正电子能谱的峰值能量由什么决定？
• RQ3 预测的通量幅度对宇宙弦张力 $ G\mu $ 和尖点湮灭效率 $ \epsilon $ 的敏感性如何？
• RQ4 该模型能否在不引入暗物质或附近脉冲星的情况下解释正电子过剩？
• RQ5 通过匹配观测数据，能够对 $ G\mu $ 和 $ \epsilon $ 施加哪些约束？

主要发现

• 该模型预测的能谱具有接近600 GeV的陡峭上限截止，且通量在截止附近上升，与ATIC和PAMELA观测结果高度一致。
• 正电子通量的峰值由初始喷流能量 $ m_f $ 决定，$ m_f $ 越高，峰值能量越高。
• 通量幅度取决于乘积 $ \epsilon (\gamma^{11/6} G\mu)^{-1} $，可通过调节该乘积匹配观测到的通量水平。
• 当 $ \epsilon \sim 1 $ 时，该模型对 $ G\mu $ 施加了上限，排除了大量低能标宇宙弦模型。
• 能谱形状具有鲁棒性，对尖点动力学细节不敏感，是该模型的强有力预测。
• 该模型要求宇宙弦主要以轻子方式衰变，以避免反质子过量，与PAMELA反质子数据一致。