[论文解读] Sub-GeV Galactic cosmic-ray antiprotons from PBHs in the Randall-Sundrum braneworld

Yuuiti Sendouda, Kazunori Kohri+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2004

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 3

一句话总结

本文研究了在兰德尔-兰德斯膜宇宙模型中，原初黑洞（PBHs）产生的亚吉电子伏特（sub-GeV）银河系宇宙射线反质子，表明反质子通量与反 de Sitter（AdS）半径成反比，从而放松了基于四维（4D）理论的原初黑洞丰度上限。若原初黑洞丰度超过已知的四维约束，则需存在至少10^20倍于四维普朗克长度的额外维度以避免矛盾；未来对亚吉电子伏特反质子的观测，若精度达到约1%，可通过四维与五维预测之间的通量差异探测膜宇宙理论的特征。

ABSTRACT

We investigate cosmic-ray antiprotons emitted from the galactic primordial black holes in the Randall-Sundrum type-2 braneworld. The recent results of the BESS antiproton observation implies the existence of exotic primary sub-GeV antiprotons, one of whose most probable origin is PBHs in Our Galaxy. We show that the magnitude of antiproton flux from PBHs in the RS braneworld is proportional to negative power of the AdS radius, and immediately find that a large extra-dimension can relax upper-limits on the abundance of the Galactic PBHs. If actually there are more PBHs than the known upper-limit obtained in the pure 4D case, they set a lower bound on the size of the extra dimension above at least 10^{20} times 4D Planck-length to avoid inconsistency. On completion of the numerical studies, we show that these constraints on the AdS radius is comparable to those obtained from the diffuse photon background by some of the authors in the previous paper. Moreover, in the low accretion-rate case, only antiprotons can constrain the braneworld. We show that we will detect signatures of the braneworld as a difference between the flux of the antiprotons predicted in 4D and 5D by future observations in sub-GeV region with a few percent precision.

研究动机与目标

• 研究BESS观测到的奇特亚吉电子伏特反质子的起源，并评估兰德尔-兰德斯膜宇宙中的原初黑洞（PBHs）是否可能为该来源。
• 确定兰德尔-兰德斯膜宇宙模型中大额外维度的存在如何影响原初黑洞所预测的反质子通量。
• 利用反质子通量数据推导额外维度的反 de Sitter（AdS）半径的约束，特别是在原初黑洞丰度超过基于四维理论的上限时。
• 确定在低吸积率情形下，仅反质子是否能对膜宇宙模型施加约束。
• 评估未来亚吉电子伏特反质子观测探测四维预测偏离的可能性，从而检验膜宇宙的存在。

提出的方法

• 在兰德尔-兰德斯型2类膜宇宙中建立原初黑洞的霍金辐射模型，纳入翘曲额外维度的影响。
• 利用额外维度尺寸的反幂律依赖关系，计算原初黑洞产生的反质子通量随AdS半径的变化。
• 将五维膜宇宙模型中的预测反质子通量与标准四维情形进行比较，以识别可观测差异。
• 利用BESS反质子观测数据约束原初黑洞丰度，并推导额外维度尺寸的下限。
• 通过数值研究验证通量标度关系，并与先前研究中来自弥漫光子背景的约束保持一致。
• 通过估算未来亚吉电子伏特反质子测量所需精度（约1%）来评估膜宇宙效应的可探测性，以区分四维与五维通量预测。

实验结果

研究问题

• RQ1 兰德尔-兰德斯膜宇宙中的原初黑洞能否解释BESS观测到的奇特亚吉电子伏特反质子信号？
• RQ2 与标准四维情形相比，兰德尔-兰德斯膜宇宙中大额外维度的存在如何影响原初黑洞所预测的反质子通量？
• RQ3 若原初黑洞丰度超过已知的四维上限，额外维度尺寸的下限是多少？
• RQ4 在低吸积率情形下，仅反质子能否对膜宇宙模型施加约束？
• RQ5 未来对亚吉电子伏特反质子的观测，若精度约为1%，能否区分四维与五维预测，从而探测到膜宇宙的特征？

主要发现

• 兰德尔-兰德斯膜宇宙中原初黑洞产生的反质子通量与AdS半径成反比，表明更大的额外维度会抑制通量。
• 若原初黑洞丰度超过四维上限，则额外维度必须至少为四维普朗克长度的10^20倍，以避免与观测结果矛盾。
• 从反质子通量推导出的AdS半径约束在数量级上与先前研究中基于弥漫光子背景分析所得结果相当。
• 在低吸积率情形下，反质子成为唯一可行的探测膜宇宙模型的手段。
• 未来对亚吉电子伏特反质子的观测，若精度达到百分之几，可探测到四维与五维预测之间的通量差异，从而为膜宇宙场景提供直接证据。