[论文解读] The rise and fall of top-down models as main UHECR sources

M. Kachelrieß|ArXiv.org|Oct 16, 2008

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 6

一句话总结

本文综述了自上而下的模型作为超高能宇宙射线（UHECRs）来源的可能性，提出超重暗物质（SHDM）和拓扑缺陷（TD）可通过重粒子衰变产生UHECRs。尽管最初源于AGASA的超额现象，但当前观测约束——尤其是对超高能中微子和光子的搜寻——已将这些模型的贡献限制为次级水平，其中SHDM受到银河系各向异性和弥漫伽马射线背景的约束。

ABSTRACT

The motivation and the current status of top-down models as sources of ultrahigh energy cosmic rays (UHECR) are reviewed. Stimulated by the AGASA excess, they were proposed as the main source of UHECRs beyond the GZK cutoff. Meanwhile searches for their signatures have limited their contribution to the UHECR flux to be subdominant, while the theoretical motivation for these searches remained strong: Topological defects are a generic consequence of Grand Unified Theories and superheavy particles are a creditable dark matter candidate. While Fermi/GLAST results should help to improve soon bounds on topological defects from the diffuse gamma-ray background, the most promising detection method are UHE neutrino searches. Superheavy dark matter can be restricted or detected by its characteristic galactic anisotropy combined with searches for UHE photons.

研究动机与目标

• 评估自上而下模型（特别是超重暗物质（SHDM）和拓扑缺陷（TD））作为超高能宇宙射线（UHECRs）主要来源的可行性，超越GZK截止能量。
• 评估当前来自超高能中微子、光子及弥漫伽马射线背景数据对这些模型的观测约束。
• 研究通过UHECR到达方向的银河系各向异性探测SHDM的潜力，特别是利用南半球实验。
• 在UHECR能谱和各向异性数据背景下，比较自上而下模型与自下而上加速机制的预测能力。
• 确定结合多种信号（中微子、光子、各向异性模式）是否能提升对SHDM和TD模型的探测灵敏度。

提出的方法

• 分析自上而下模型中，UHECRs源自质量在10^12至数×10^13 GeV之间的超重粒子（X）衰变，其动机来自AGASA超额现象及大统一理论等理论框架。
• 利用粒子物理模型推导的能量谱和注入率，评估X粒子通过强子化和衰变产生的质子、光子和中微子通量。
• 应用弥漫伽马射线背景（EGRET和Fermi/GLAST数据）的约束，以限制拓扑缺陷模型，特别是通过电磁级联产生机制。
• 利用PAO和RICE实验未观测到超高能中微子的事实来约束中微子通量，其中PAO的限制使E^2 j_ν(E)的灵敏度相比以往提高了约10倍。
• 通过太阳偏离银河系中心的位置，建模SHDM通量的银河系各向异性，预测在1–3 EeV能量段第一瑞利谐波的调制幅度约为2%。
• 结合PAO的各向同性限制（95%置信水平，1 EeV时幅度<1.7%，3 EeV时<3.2%）与光子及中微子约束，推导出对SHDM的有力约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 超重暗物质（SHDM）在多大程度上能解释GZK截止能量以上的观测到的UHECR通量？
• RQ2 弥漫伽马射线背景和超高能中微子搜寻的约束如何限制拓扑缺陷模型的参数空间？
• RQ3 UHECR到达方向的银河系各向异性能否为SHDM提供可探测的信号？其与当前实验各向同性限制相比如何？
• RQ4 自上而下模型对总UHECR通量的相对贡献是多少？与自下而上加速机制相比如何？
• RQ5 结合对光子、中微子及各向异性模式的搜寻，是否能提升对SHDM的探测灵敏度，超越单一信号的限制？

主要发现

• 尽管最初源于AGASA超额现象，自上而下模型现已被约束为对UHECR通量的次级贡献。
• PAO合作组对ν_τ事件的超高能中微子限制，使E^2 j_ν(E)的灵敏度相比以往RICE限制提高了约10倍，使其与EGRET对弥漫伽马射线的限制水平相当。
• 符合观测到的UHECR能谱的SHDM模型，在1–3 EeV能量段第一瑞利谐波预测的各向异性幅度约为2%，与PAO在95%置信水平下测得的1.7%（1 EeV）和3.2%（3 EeV）上限一致。
• Fermi/GLAST的弥漫伽马射线背景预计将进一步收紧对拓扑缺陷模型的约束，但目前的限制仍与早期分析水平相当。
• 来自弥漫伽马射线背景和UHECR各向异性数据的光子约束共同提供了对SHDM的有力约束，其中后者在较低能量段可能更具灵敏度。
• 自上而下模型中光子与核子的高比例比值虽受超高能光子吸收影响，但电磁级联过程会将能量转移至弥漫伽马射线背景，使其成为关键的观测通道。