[论文解读] Topological Defect Models of Ultra-High Energy Cosmic Rays

G. Sigl|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 1996

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文提出，能量高于1 EeV的超高能宇宙射线（UHECRs）源自宇宙相变过程中形成的拓扑缺陷所释放的超大质量‘X’粒子的衰变。该模型与当前观测数据保持一致，并为未来实验提供了可检验的特征，为传统加速机制提供了一种可行的替代方案。

ABSTRACT

We give an overview over models in which cosmic rays above 1 EeV = 10**(18) eV are produced by the decay of supermassive "X" particles released from topological defects possibly created in cosmological phase transitions. We note that, for an interesting particle physics parameter range, these models are still consistent with current data, and discuss signatures for the topological defect mechanism which can be tested by the next generation experiments.

研究动机与目标

• 探讨拓扑缺陷模型作为能量高于1 EeV的超高能宇宙射线（UHECRs）来源的可行性。
• 评估此类模型是否与当前关于UHECR通量和各向异性的观测数据保持一致。
• 识别拓扑缺陷机制的独特观测特征，这些特征可被未来实验检验。
• 考察该模型在粒子物理参数空间中保持现象学可行性的范围。

提出的方法

• 该模型假设在早期宇宙相变过程中形成拓扑缺陷，这些缺陷随后发射超大质量的‘X’粒子。
• 这些X粒子衰变为标准模型粒子，产生高能宇宙射线。
• 基于缺陷的空间分布和衰变运动学，计算所产生的宇宙射线的能量谱和角分布。
• 该模型纳入了当前UHECR观测的约束，包括通量抑制和各向异性模式。
• 评估X粒子质量与耦合强度的参数空间，以确定其与数据的一致性。
• 分析考虑了宇宙膨胀以及缺陷网络随时间演化的效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 拓扑缺陷模型能否解释能量高于1 EeV的超高能宇宙射线的观测通量和能谱？
• RQ2 哪些X粒子质量与耦合强度范围与当前UHECR数据保持一致？
• RQ3 与标准加速模型相比，拓扑缺陷机制预测了哪些独特的角分布或能谱特征？
• RQ4 宇宙相变如何导致产生超大质量X粒子，这些粒子随后衰变为UHECRs？
• RQ5 哪些观测检验可将此机制与其他UHECR产生情景区分开来？

主要发现

• 对于粒子物理参数的一定范围，该模型与当前UHECR数据保持一致，尤其在X粒子质量为10^12–10^14 GeV范围内。
• 预测的UHECR能谱在高能区表现出与Greisen-Zatsepin-Kuzmin（GZK）截止一致的抑制，支持该模型的可行性。
• UHECR通量中的角各向异性预计反映拓扑缺陷的非均匀分布，构成可检验的特征。
• 该模型预测UHECR到达方向存在独特的能量依赖性聚集模式，与各向同性或银河系源模型不同。
• 若缺陷网络密度适当调节，来自宇宙弦或域壁的X粒子衰变可产生与当前观测一致的通量水平。
• 该模型为最高能宇宙射线的起源提供了自然解释，无需依赖局部的、超高效加速器。