[论文解读] Cosmic rays above the ankle from Z-bursts

Graciela B. Gelmini, Gabriele U. Varieschi|ArXiv.org|Jan 29, 2002

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 7

一句话总结

本文提出，能量超过GZK截止的超高能宇宙射线（UHECRs），特别是‘膝’特征和超GZK事件，源于遥远源产生的超高能中微子与轻质遗迹中微子（质量≈0.07 eV）之间的Z玻色子共振（Z-爆发）。该模型预测，在约10^20.0 eV以下以核子为主，更高能量时则以光子为主，并在GZK截止能量（≈5×10^19 eV）处出现通量累积，与数据线索一致，且可解释约10^19.0 eV处的‘膝’特征。

ABSTRACT

Neutrinos from far away sources annihilating at the Z resonance on relic neutrinos may give origin to the ultrahigh-energy cosmic rays. Here we present predictions of this mechanism with relic neutrinos lighter than 1 eV, which do not gravitationally cluster. We show that not only the super GZK events, but the "ankle" and all events above it can be accounted for. Most primaries above the ankle are predicted to be nucleons up to $10^{20.0}$ eV and photons at higher energies. We also find an accumulation at the GZK cutoff energy, a hint of which can be seen in the data.

研究动机与目标

• 解释能量超过GZK截止的超高能宇宙射线（UHECRs）的起源，包括‘膝’特征和超GZK事件。
• 解决GZK截止以上UHECRs的各向同性和光谱平滑性问题，这些特性对标准天体物理模型构成挑战。
• 检验Z-爆发模型是否能再现观测到的UHECR能谱及特征，该模型涉及轻质、不参与引力聚集的遗迹中微子（mν < 1 eV）。
• 预测‘膝’以上区域的UHECR主要成分（核子与光子）。
• 评估该模型在EGRET限制和星系际磁场等约束下的鲁棒性。

提出的方法

• 该模型利用超高能中微子（ν_UHE）与轻质遗迹中微子（mν ≈ 0.07 eV）湮灭产生Z⁰玻色子，通过Z玻色子共振产生宇宙射线粒子。
• 共振能量通过公式 E_Res = M_Z² / (2mν) 计算，当 mν = 0.07 eV 时，E_Res ≈ 0.6×10^23 eV。
• 通过建模传播过程中的能量损失，以解释观测到的UHECR能谱，特别是GZK截止处的抑制效应。
• 模型假设‘膝’以下的银河系宇宙射线通量（斜率与归一化值来自AGASA），并添加Z-爆发成分以预测‘膝’的位置与通量归一化。
• 对核子与光子的通量进行模拟并进行归一化，以匹配数据，特别关注‘膝’与GZK截止处的通量累积等光谱特征。
• 模型考虑了UHE中微子的可能来源，如衰变的超重遗迹粒子或拓扑缺陷，这些可产生所需的高能中微子通量。

实验结果

研究问题

• RQ1 轻质、不参与引力聚集的遗迹中微子（mν ≈ 0.07 eV）的Z-爆发能否解释GZK截止以上UHECR能谱，包括‘膝’特征？
• RQ2 该模型是否预测在GZK截止能量（≈5×10^19 eV）处出现通量累积，与数据线索一致？
• RQ3 UHECR在‘膝’以上的成分预测为何？具体而言，核子是否在约10^20.0 eV以下占主导，而更高能量时以光子为主？
• RQ4 该模型能否在不与银河系晕方向相关联的前提下，解释‘膝’以上UHECR的各向同性？
• RQ5 该模型预测的新截止能量（E_Res ≈ 0.6×10^23 eV）与观测约束及低能光子的EGRET限制相比如何？

主要发现

• 该模型预测‘膝’位于 E_ankle ≈ 10^19.0 eV，与AGASA测量结果一致。
• ‘膝’以上，核子预测在约10^20.0 eV以下占主导，更高能量时则以光子为主。
• 在GZK截止能量（≈5×10^19 eV）处预测有显著的核子通量累积，与AGASA数据中观察到的微弱过量一致。
• 对于 mν = 0.07 eV，该模型预测因Z玻色子共振而在 E_Res ≈ 0.6×10^23 eV 处出现新的高能截止。
• 该模型与EGRET对低能光子的限制一致，尤其当UHE中微子源自衰变的超重粒子而非天体物理源时。
• 星系际磁场必须小于 10^{-9} G，模型预测才成立，因为更大的磁场会扭曲宇宙射线的到达方向分布。