[论文解读] Ultra-High Energy Cosmic Rays: a Window to Post-Inflationary Reheating Epoch of the Universe?

V.A. Kuzmin, V. A. Rubakov|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 1997

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 23

一句话总结

该论文提出，高于GZK截止能量的超高能宇宙射线（UHECRs）可能源自于后暴胀再加热过程中产生的超重、长寿命X粒子的衰变。通过非阿贝尔规范模型中的瞬子诱导衰变机制，该研究表明此类衰变可产生平坦的多粒子喷射，伴随硬轻子，将UHECRs与再加热时期联系起来，并提供一种与其它自上而下模型不同的可检验特征。

ABSTRACT

We conjecture that the highest energy cosmic rays beyond the Greisen-Zatsepin-Kuzmin cut-off may provide a unique window into the very early epoch of the Universe, namely, that of reheating after inflation, provided these cosmic rays are due to decays of parent superheavy long-living X-particles. These particles may constitute a considerable fraction of cold dark matter in the Universe. We argue that the unconventionally long lifetime of the superheavy particles, which should be in the range of $10^{10} - 10^{22}$ years, might require novel particle physics mechanisms of their decays, such as instantons. We propose a toy model illustrating the instanton scenario. Generic expected features of ultra-high energy extensive air showers in our scenario are similar to those of other top-down scenarios. However, some properties of the upper part of the cosmic ray spectrum make the instanton scenario distinguishable, at least in principle, from other ones.

研究动机与目标

• 探索高于GZK截止能量的UHECRs是否可作为后暴胀再加热时期的探测工具。
• 解决产生超重、长寿命X粒子（寿命为10^10–10^22年）所面临的宇宙学与粒子物理挑战。
• 提出一种机制——瞬子诱导衰变——以解释X粒子的长寿命，避免使用标准的高维算符。
• 通过具有SU(2)_X规范对称性的简化模型，将观测到的UHECR谱与再加热温度及暗物质成分联系起来。
• 通过独特的喷射特征（如多粒子喷射与硬轻子）将此情景与其它自上而下模型区分开来。

提出的方法

• 提出一个具有SU(2)_X规范群的简化模型，包含左手双态X、Y与右手单态，X和Y粒子携带不同的全局量子数。
• 假设X粒子通过SU(2)_X瞬子衰变为Y粒子以及夸克和轻子，衰变率通过瞬子微扰计算（公式9）估算。
• 利用再加热温度对X粒子丰度的指数抑制关系：n_X/s ∝ exp(–2m_X/T_r)，确保其密度符合宇宙学约束。
• 从观测到的UHECR通量与暗物质密度出发，推导出对X粒子质量（m_X ≳ 10^13 GeV）与寿命（τ_X ≲ 10^22 yr）的约束。
• 应用瞬子选择规则，禁止胶色或弱双态，确保X与Y粒子在强相互作用与弱相互作用下均为中性，是理想的暗物质候选者。
• 分析喷射特征：平坦的能量谱、高喷射多重性（N_j ∼ 10）与硬轻子，与双喷射衰变模型形成鲜明对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 高于GZK截止能量的超高能宇宙射线能否为宇宙暴胀后的再加热时期提供证据？
• RQ2 何种粒子物理机制可解释超重X粒子在宇宙学时间尺度（10^10–10^22年）内的长寿命？
• RQ3 在X粒子衰变的模型中，如何同时满足观测到的UHECR通量与暗物质密度？
• RQ4 何种独特的喷射特征可将瞬子诱导衰变与其它自上而下的UHECR产生机制区分开来？
• RQ5 X粒子的质量与衰变特性是否可被约束，以推断早期宇宙的再加热温度？

主要发现

• 再加热温度必须远小于X粒子质量（T_r ≲ m_X），以通过指数抑制机制抑制X粒子丰度，这与观测到的UHECR通量一致。
• 瞬子诱导衰变产生多粒子末态，喷射多重性N_j ∼ 10，导致UHECR能段呈现平坦能量谱。
• 衰变过程X → Y + 夸克 + 轻子产生硬轻子，是双喷射衰变模型中所不具备的独特特征。
• 若Y粒子稳定，其将主导暗物质组分，且需满足m_X < 2m_Y以避免过量产生，从而与暗物质密度保持一致。
• 由于瞬子选择规则，X与Y粒子不参与强相互作用与电弱相互作用，天然解释了其稳定性和微弱的探测截面。
• 该情景下的UHECR谱与其它自上而下模型可区分，其特征为高多重性、平坦谱与硬轻子成分的结合。