[论文解读] Neutron-mirror neutron oscillations for solving the puzzles of ultrahigh-energy cosmic rays

Wanpeng Tan|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2019

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 11

一句话总结

本文提出，在镜像物质框架下，中子-镜像中子振荡可解决超高能宇宙射线（UHECR）物理中的关键难题。通过假设镜像-普通宇宙微波背景辐射温度比 $T'/T \sim 0.3$，该模型解释了GZK截止抑制现象、遥远镜像源产生的超GZK事件的起源，以及望远镜阵列热点中亚GZK与超GZK事件之间的反相关性，同时预测了与IceCube中微子及GW170729引力波的相关性。

ABSTRACT

Based on a newly proposed mirror-matter model of neutron-mirror neutron ($n-n'$) oscillations, the puzzles related to ultrahigh-energy cosmic rays (UHECRs) are explained. In particular, the phenomena around the Greisen-Zatsepin-Kuzmin (GZK) cutoff for UHECRs can be well understood under the new mirror matter model assuming a mirror-to-ordinary temperature ratio of $T'/T \sim 0.3$. The suppression factor of the GZK effect due to the opacity of cosmic microwave background is calculated and agrees with the observations well. Most of the super-GZK events (i.e., above the GZK cutoff), as predicted in the new model, come from mirror matter sources that are invisible to electromagnetic telescopes and can penetrate the mirror cosmic microwave background at much further distances. Most remarkably, the anti-correlation between super-GZK and sub-GZK events in the hotspot observed by the Telescope Array (TA) collaboration can be naturally understood in this model. The possible correlations between the UHECRs from the TA hotspot and other nearby powerful sources such as high energy neutrinos detected by IceCube, the largest black hole merger (GW170729) observed by LIGO, and the hottest star-forming supercluster Lynx Arc, are discussed as well under the new theory.

研究动机与目标

• 为解决超高能宇宙射线（UHECR）观测中长期存在的谜题，包括GZK截止抑制现象和超GZK事件的起源。
• 解释望远镜阵列热点中观测到的亚GZK与超GZK事件之间的反相关性。
• 探索UHECR、高能中微子（IceCube）、引力波（GW170729）与Lynx Arc星系超结构之间的相关性。
• 检验包含 $n-n'$ 振荡的镜像物质模型作为UHECR异常现象解决方案的可行性。
• 提供一个理论框架，使镜像物质源能够发射可逃避宇宙微波背景辐射不透明性并被地球探测到的UHECR。

提出的方法

• 采用一种镜像物质模型，其中普通中子通过拉格朗日量中的混合项在 $n \leftrightarrow n'$ 之间振荡。
• 利用镜像CMB温度比 $T'/T \sim 0.3$ 计算GZK效应的抑制因子，与观测数据一致。
• 模拟UHECR在宇宙空间中的传播，考虑 $n-n'$ 振荡使中子能够避免宇宙微波背景辐射中的光致强子损失。
• 计算光致强子反应的平均自由程为 $l_\pi \sim 10^7$ 光年，表明 $n-n'$ 振荡可显著延长有效传播距离。
• 应用MSW效应于镜像中微子，使高能（$\sim 10^{14}$ eV）下发生共振振荡进入普通中微子。
• 将望远镜阵列热点方向与已知天体（GW170729、Lynx Arc）进行比对，以检验镜像源假说。

实验结果

研究问题

• RQ1 中子-镜像中子振荡能否解释观测到的GZK截止附近UHECR的抑制现象？
• RQ2 为何望远镜阵列热点中能量超过 $10^{19.75}$ eV 的超GZK事件与亚GZK事件呈现反相关性？
• RQ3 镜像物质源能否解释那些对电磁望远镜不可见、可在宇宙学距离上传播的UHECR？
• RQ4 观测到的UHECR与IceCube探测到的高能中微子之间的相关性是否有物理基础？
• RQ5 像GW170729这样的引力波事件和像Lynx Arc这样的极端星形成区域是否与UHECR热点方向对齐，从而支持镜像物质起源？

主要发现

• 当 $T'/T \sim 0.3$ 时，该模型在抑制因子上与观测数据一致，重现了观测到的GZK截止抑制现象。
• 超GZK事件起源于遥远的镜像物质源，这些源对电磁望远镜不可见，且可在镜像CMB中无显著能量损失地穿透。
• 望远镜阵列热点中亚GZK与超GZK事件之间的反相关性，可通过该模型的双源起源自然解释：亚GZK来自附近的普通源，超GZK来自遥远的镜像源。
• GW170729的光度距离（约 ~2750 ± 1350 Mpc）与镜像源探测所需的距离尺度一致，支持其镜像起源。
• 望远镜阵列热点方向与Lynx Arc星系超结构方向一致，距离约 1.2 × 10^10 光年，与模型预测的遥远镜像源一致。
• 此类源产生的高能镜像中微子可经历共振MSW振荡，从而在IceCube中产生可探测的普通中微子，解释了观测到的UHECR-中微子相关性。