[论文解读] Testing Brane World Models with Ultra High Energy Cosmic Rays

H. Ziaeepour|ArXiv.org|Mar 18, 2002

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 3

一句话总结

本文通过分析超高端宇宙射线（UHECR）粒子进入额外维度的传播时间，检验了膜世界模型。研究发现，UHECR空气簇射中的时间相干性排除了5D膜模型中大部分参数空间，除非场在超出UHECR能量范围的能标下受到对称性保护，从而强化了宇宙学常数的小值与层次问题之间的联系。

ABSTRACT

The arrival time coherence of particles in the Ultra High Energy Air Showers where the center of mass energy of the interaction is of the order of $10^{15} eV$, puts strict constraint on the propagation of particles in a hypothetical extra-dimension. We first argue that at such high energies bulk modes and massive KK-modes can be produced abundantly and in many models their phase space volume is larger than confined modes. Then, we study the minimum propagation time in one and two-brane models and show that a large part of the parameter space of these models are ruled out unless the confinement of fields is proteced by symmetries up to energies not accessible even to the high energy tail of Ultar High Energy Cosmic Rays (UHECRs). As a by-product we confirm the result obtained in some previous works about the close relation between a small Cosmological Constant and the hierarchy problem.

研究动机与目标

• 通过超高端宇宙射线（UHECR）空气簇射评估大额外维度膜世界模型的可行性。
• 研究UHECR空气簇射的时间相干性是否能约束粒子向额外维度的传播。
• 确定在一brane和两brane模型中，与观测簇射时间一致的参数空间。
• 探讨膜世界情景中宇宙学常数的小值与层次问题之间的联系。

提出的方法

• 分析在具有额外维度的翘曲5D膜模型中经典粒子的传播，重点关注在体面中的最小传播时间。
• 使用具有翘曲度规的5D体面中的测地线方程，计算粒子轨迹及由额外维运动引起的时延。
• 应用如下条件：若粒子在额外维度中传播并产生显著时延，则空气簇射的时间相干性将被破坏。
• 考虑单膜和双膜模型，包括兰德尔-桑德鲁姆模型及其变体，涵盖不同的紧化尺度和体面引力子质量。
• 评估膜张力非零及体面非静态配置对传播时间的影响。
• 将理论传播时延与当前空气簇射探测器的到达时间分辨率进行比较，以设定观测约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 UHECR空气簇射的时间相干性能否约束膜世界模型中大额外维度的存在？
• RQ2 在5D膜世界模型中，粒子进入体面的最小传播时间是多少？其与探测器分辨率相比如何？
• RQ3 在一brane和两brane模型中，哪些参数空间在UHECR时间约束下仍具可行性？
• RQ4 保护场束缚的对称性在高能下如何影响膜世界模型的可行性？
• RQ5 在这些模型中，宇宙学常数的小值与层次问题之间存在何种联系？

主要发现

• 除非场在超出UHECR能量范围的能标下受到对称性保护，否则UHECR空气簇射时间相干性排除了5D膜世界模型中大部分参数空间。
• 对于大多数双膜模型，紧化尺度μ必须大于约1 eV，以避免可观测的时延，这一约束远强于加速器实验的限制。
• 额外维大小L的上限被约束为L ≲ 10⁻⁸ cm，显著小于引力实验的限制。
• 原始的兰德尔-桑德鲁姆模型要求μ ≳ 10⁻² eV，其约束比直接对撞机搜索更严格。
• 本研究证实了宇宙学常数的小值与层次问题之间存在深刻联系，表明一致性需要精细调节。
• 除非在高能下存在额外的保护机制，否则具有有趣5D普朗克标度M₅的一brane模型被排除。