[论文解读] Particle Physics at Ultrahigh Energies

Glennys R. Farrar|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 8

一句话总结

该论文提出，若量子色动力学（QCD）非弹性截面在质心系能量超过60 TeV后增长速度比标准模型更快，则超高能宇宙射线（UHECR）簇射可被纯质子成分一致地解释。此外，研究还表明，对尚未探索的动量区域中的粒子比值进行微小修正，可解决当前强子相互作用模型中长期存在的μ子不足问题，从而为避免使用调制的混合成分方案提供一种现象学上可行的替代方案。

ABSTRACT

We explore particle physics beyond accelerator energies, motivated by questions exposed in astroparticle physics observations: 1) Are there reasonable modifications to the standard extrapolations of LHC-tuned hadronic interaction models, so that ultrahigh energy cosmic ray (UHECR) showers are well-described with a purely protonic primary composition rather than requiring a tuned, energy-dependent composition mixture as needed in conventional models? 2) What modifications to standard models can solve the deficiency in the predicted ground signal found in hybrid UHECR observations? We find that a pure proton composition provides an excellent fit to shower observations, if the QCD inelastic cross section increases more rapidly above $E_{ m cm} \approx 60$ TeV than in conventional models, and speculate as to possible reasons this may happen; the "muon deficiency" can be cured by relatively minor modifications to particle ratios in unexplored kinematic regimes below and above LHC energies.

研究动机与目标

• 研究纯质子UHECR成分是否能在不依赖能量依赖的核素混合调制的情况下，重现观测到的簇射发展过程和$X_{\rm max}$分布。
• 通过识别在LHC能量范围之外的动量区域中粒子比值的修改，解决当前强子相互作用模型（HEGs）中持续存在的μ子不足问题。
• 探讨是否存在新物理机制（如增强的前向散射或折射率效应）可解释UHECR簇射观测中的差异。
• 评估QCD切伦科夫辐射或其他新颖相互作用是否可作为超高能区有效非弹性截面增强的机制。

提出的方法

• 提出一种修改后的QCD非弹性截面，其在$E_{\rm cm} \approx 60$ TeV以上增长速度超过传统模型，利用光学定理和前向散射振幅将其与有效折射率联系起来。
• 应用光学定理将总截面与前向散射振幅关联，推导出空气中的折射率关系式$n-1 \approx \rho \sigma_{\rm tot} / s$。
• 考虑轻量级自旋-2粒子的$ t $-通道交换，以产生$\sigma_{\rm el} \sim s$的行为，可能在大气中引发类似切伦科夫辐射的现象。
• 评估该机制的能量损失和辐射锥特性，表明其可在$\sim 10^{18.5}$ eV能量下模拟出增强的非弹性截面。
• 分析当$n > 1$时高γ因子下$\pi^0$衰变被抑制的情况，这可能导致μ子产生减少，从而解决μ子不足问题。
• 结合增强的截面与$\pi^0$衰变抑制，构建出基于纯质子的UHECR簇射自洽模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不依赖混合成分的前提下，纯质子UHECR成分是否能重现$\langle X_{\rm max} \rangle$的能量依赖性以及$X_{\rm max}$分布的均方根减小特性？
• RQ2 在超出LHC能量范围的粒子物理模型中，需进行何种修改才能解决当前强子相互作用生成器中的μ子不足问题？
• RQ3 由于增强的前向散射导致空气折射率显著大于1，是否可能产生可观察效应（如切伦科夫辐射或有效截面增强）？
• RQ4 QCD切伦科夫辐射是否是超高能区增强非弹性截面的可行机制？其对新物理设定了何种约束？
• RQ5 在高洛伦兹因子下，当$n > 1$时$\pi^0$衰变被抑制，是否可解释UHECR簇射中的μ子短缺？

主要发现

• 若QCD非弹性截面在$E_{\rm cm} \approx 60$ TeV以上增长速度超过标准模型，则纯质子成分可对$X_{\rm max}$数据提供极佳拟合。
• 观测到的$X_{\rm max}$分布及其能量演化可无需引入轻核到重核的渐变过渡而得到解释，从而缓解与天体物理传播约束之间的矛盾。
• 当前强子相互作用模型中的μ子不足问题，可通过对LHC能量以下及以上的动量区域中粒子比值进行相对微小的修正得以解决。
• 若由于增强的前向散射导致空气折射率大于1，可能引发类似切伦科夫辐射的现象，其效果可模拟出在$\sim 10^{18.5}$ eV能量下的有效非弹性截面增强。
• 当$n > 1$时，高γ因子下$\pi^0$衰变的抑制提供了一种减少μ子产生的机制，为μ子短缺问题提供了可行解决方案。
• QCD切伦科夫辐射要有效发挥作用，需具有约8×10⁴倍于57 TeV处观测到的非弹性截面的截面大小，这在标准QCD框架下极不可行。