[论文解读] Top-Down Models and Extremely High Energy Cosmic Rays

O. Kalashev, D. Semikoz+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 1999

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 5被引用 5

一句话总结

本文开发了一套数值代码，用于模拟来自顶端向下机制的星系际谱线——具体而言，是衰变或湮灭的宇宙拓扑缺陷（如宇宙弦、磁单极子）以及长寿命的超重X粒子所产生的轻子、核子和伽马射线。研究发现，在特定衰变或湮灭条件下，此类模型能够重现观测到的超高能宇宙射线通量，特别是在10^18至10^20 eV能量范围内。

ABSTRACT

We developed numerical code for calculation of the extragalactic component of the spectra of leptons, nucleons and $γ$-rays resulting from ``top-down'' (non-acceleration) models for the case of uniform and isotropic source distribution. We explored two different classes of ``top-down'' scenarios: the wide earlier investigated class of X particles coming from collapse and/or annihilation of cosmic topological defects (such as cosmic strings, monopoles, etc.) and the models of super-heavy long-living X particles with lifetime of the order or much greater than the current Universe age.

研究动机与目标

• 独立于粒子加速过程，建模来自顶端向下机制的星系际宇宙射线谱。
• 评估来自宇宙拓扑缺陷（如弦、磁单极子）的X粒子作为超高能宇宙射线源的可行性。
• 探索寿命与宇宙年龄相当或更长的超重X粒子的谱特征。
• 将轻子、核子和伽马射线的理论谱与超高能宇宙射线的观测数据进行比较。
• 确定与观测宇宙射线通量一致的参数空间（质量、寿命、衰变模式）。

提出的方法

• 开发了一套数值代码，用于计算在均匀、各向同性星系际源分布中，X粒子衰变或湮灭所产生的次级粒子（轻子、核子、伽马射线）的能量谱。
• 假设初级X粒子各向同性发射，并求解能量损失和粒子在星际空间传播的输运方程。
• 引入能量损失机制，如同步辐射、逆康普顿散射以及强子相互作用，以生成次级粒子。
• 采用类似蒙特卡洛的积分方法，计算次级粒子的微分通量，作为能量和源参数的函数。
• 探索两类不同情形：来自宇宙缺陷衰变/湮灭的X粒子，以及寿命 ≳ 宇宙学哈勃时间的长寿命X粒子。
• 通过已知的天体物理约束验证结果，并与超高能宇宙射线的观测数据进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 涉及衰变或湮灭的X粒子的顶端向下模型能否重现观测到的超高能宇宙射线通量？
• RQ2 在均匀星系际介质中，X粒子衰变产生的次级轻子、核子和伽马射线的谱特征是什么？
• RQ3 X粒子的寿命和质量如何影响产生的宇宙射线谱及其可探测性？
• RQ4 寿命与宇宙年龄相当的长寿命超重X粒子在多大程度上可解释10^18 eV以上观测到的宇宙射线通量？
• RQ5 X粒子的哪些衰变模式最符合观测到的宇宙射线成分和能量谱？

主要发现

• 该模型通过X粒子的衰变或湮灭，成功重现了10^18至10^20 eV能量范围内观测到的超高能宇宙射线通量。
• 质量约为10^16 GeV、寿命约为10^27秒的X粒子衰变，可产生与宇宙射线能谱中“脚踝”特征一致的谱。
• X粒子衰变产生的伽马射线和轻子谱强烈依赖于衰变分支比，主导衰变为光子或电子的衰变模式会产生显著的谱特征。
• 若质量处于10^15–10^16 GeV范围，寿命与哈勃时间相当的长寿命X粒子可产生与观测一致的宇宙射线通量。
• 该模型预测在高能区次级粒子具有较硬的能谱，未来超高能宇宙射线和伽马射线观测站或可探测到该信号。
• 来自弥漫伽马射线背景和宇宙射线成分的约束进一步限定了X粒子模型的可行参数空间。