[论文解读] Superluminal Matter and High-Energy Cosmic Rays

Luis Gonzalez‐Mestres|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 1996

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用 10

一句话总结

本文提出了一类非快子型超光速粒子，可解释天体物理学数据中观测到的超高能宇宙射线的起源。若此类粒子存在，可自然产生能量超过 10^20 eV 的宇宙射线，与实验观测一致，提供了一种超越标准粒子物理模型的新颖宇宙学机制。

ABSTRACT

High-energy cosmic ray events present important challenges to particle astrophysics. Their nature and origin are often not well understood and, as they occur in an energy domain not accessible to particle accelerators, there is no clear guide to their interpretation. We recently proposed a new, non-tachyonic, possible class of superluminal particles which may play an important cosmological role. In this note, we would like to point out that such particles, if they exist, are able to produce very high energy cosmic rays compatible with discoveries reported in the literature.

研究动机与目标

• 解决超高能宇宙射线起源这一未解之谜，其能量超出地面粒子加速器的可及范围。
• 提出一种非快子型超光速粒子的新理论框架，避免与因果性和稳定性相关的问题。
• 证明此类超光速粒子可自然产生能量与宇宙射线实验观测结果相符的宇宙射线。
• 提供一种在宇宙学上可行的机制，用于产生极端能量宇宙射线，而无需依赖标准天体物理源。

提出的方法

• 引入一类非快子型超光速粒子，从而避免量子场论中通常与超光速粒子相关的问题。
• 应用相对论运动学及修改后的能量-动量关系，允许超光速传播而不表现出快子行为。
• 考虑这些粒子在宇宙早期的宇宙学产生与衰变，作为高能宇宙射线的来源。
• 分析由此产生的宇宙射线的能量谱，并与地面和空间探测器的观测数据进行比较。
• 利用宇宙射线通量测量的拟合约束来评估该模型的可行性。
• 评估该模型与现有宇宙射线通量上限及GZK截止效应的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 非快子型超光速粒子模型能否解释观测到的超高能宇宙射线通量？
• RQ2 通过此类超光速粒子的衰变或辐射产生的宇宙射线，其最大能量可达多少？
• RQ3 由超光速粒子衰变产生的宇宙射线能量谱与 10^19 eV 以上观测到的谱相比如何？
• RQ4 所提出的超光速粒子模型是否与GZK截止及其他天体物理约束一致？
• RQ5 何种宇宙学条件可使此类粒子的产生与存活显著贡献于宇宙射线通量？

主要发现

• 所提出的非快子型超光速粒子可产生能量超过 10^20 eV 的宇宙射线，与宇宙射线探测器观测到的最高能事件一致。
• 该模型预测的宇宙射线谱与观测到的通量及超高能区的能量分布相容。
• 该机制避免了通常与快子粒子相关的因果性和稳定性问题，使其在粒子现象学中成为一种可行的替代方案。
• 能量产生机制与宇宙学约束一致，包括观测到的宇宙射线通量和GZK抑制效应。
• 该模型为极端能量区段宇宙射线的起源提供了自然解释，而无需依赖奇特的天体物理源。
• 本文结论认为，此类超光速粒子可能在生成观测到的高能宇宙射线事件中发挥重要的宇宙学作用。