[论文解读] Ultra High Energy Cosmic Rays: Strangelets? -- Extra dimensions, TeV-scale black holes and strange matter

Renxin Xu, Fei Wu|CERN Bulletin|Dec 4, 2002

Cosmology and Gravitation Theories被引用 11

一句话总结

本文提出，超过GZK截止能量的超高能宇宙射线（UHECRs）可能并非中微子或标准粒子，而是稳定的奇异夸克物质团块——奇异滴（strangelets）。文章认为，当被UHECRs轰击时，裸奇异星（BSSs）可能形成TeV量级的黑洞；若存在两个额外空间维度，由此产生的中微子通量将被抑制至10⁻²⁶ cm⁻²s⁻¹以下，使得中微子探测变得极不可能；这种抑制效应支持奇异滴假说，而非标准中微子模型。

ABSTRACT

The conjecture that ultra high energy cosmic rays (UHECRs) are actually strangelets is discussed. Besides the reason that strangelets can do as cosmic rays beyond the GZK-cutoff, another argument to support the conjecture is addressed in this letter via the study of formation of TeV-scale microscopic black holes when UHECRs bombarding bare strange stars. It is proposed that the exotic quark surface of a bare strange star could be an effective astro-laboratory in the investigations of the extra dimensions and of the detection of ultra-high energy neutrino fluxes. The flux of neutrinos (and other point-like particles) with energy >2.3 x 10^{20} eV could be expected to be smaller than 10^{-26} cm^{-2}$ s^{-1} if there are two extra spatial dimensions.

研究动机与目标

• 研究超过GZK截止能量的超高能宇宙射线（UHECRs）是否可能为奇异滴而非标准粒子。
• 探讨裸奇异星（BSSs）作为UHECR撞击下形成TeV量级黑洞的天体物理后果。
• 评估在存在额外空间维度的模型下，超高能中微子的可探测性，特别是两个额外维度的情形。
• 评估观测到的UHECR通量与能谱是否更符合奇异滴而非中微子，尤其在额外维度的背景下。
• 提供一个将奇异物质、额外维度与高能天体物理现象通过BSSs作为天然实验室相联系的框架。

提出的方法

• 使用Arkani-Hamed–Dimopoulos–Dvali（ADD）大额外维度模型，推导出n=2至7个额外维度下的基本引力尺度M*和紧化半径R。
• 应用D维黑洞的史瓦西半径公式，估算高能碰撞中形成的TeV量级黑洞的尺寸。
• 计算中微子-夸克碰撞中的质心系能量，以确定黑洞形成的阈值。
• 基于黑洞形成率和额外维度，推导出超高能中微子通量的上限，使用条件M_BH > M*。
• 将预测的中微子通量与RICE和Fly's Eye/AGASA实验的观测上限进行比较，以约束额外维度的数量。
• 通过分析其电荷-质量比、加速潜力以及在大气传播中的辐射损失，评估奇异滴作为UHECR候选者的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能量超过10²⁰ eV的超高能宇宙射线（UHECRs）是否可用奇异滴而非中微子或质子来解释？
• RQ2 若我们的宇宙存在两个额外空间维度，超高能中微子的预期通量是多少？与观测上限相比如何？
• RQ3 裸奇异星（BSSs）能否作为有效天体实验室，用于探测TeV量级黑洞并探测额外维度？
• RQ4 在双额外维度模型中，超高能中微子通量的抑制是否足以排除中微子作为UHECR候选者？
• RQ5 何种天体物理机制可能产生并加速奇异滴至超过GZK截止能量的水平？

主要发现

• 若存在两个额外空间维度，能量超过2.3×10²⁰ eV的超高能中微子通量预测值低于10⁻²⁶ cm⁻²s⁻¹，与当前观测上限一致。
• 双额外维度模型中预测的中微子通量抑制与观测到的UHECR事件存在矛盾，除非UHECRs并非中微子，这支持其为奇异滴的假说。
• 当能量≥10¹⁹ eV的UHECRs撞击裸奇异星中的夸克时，若质心系能量超过基本普朗克尺度M*，可形成TeV量级黑洞。
• 对于n=2个额外维度，中微子-夸克碰撞中黑洞形成的阈值能量为E_ν > 2.3×10²⁰ eV，低于观测到的UHECR能量。
• 奇异滴的重子数A ~ 10⁹可在旋转奇异星的单极电场中被加速至约10²⁰ eV，且因重子数高，辐射能量损失可忽略不计。
• RICE数据中未观测到超高能中微子事件，结合通量上限，进一步支持UHECRs并非中微子，而更可能是奇异滴，尤其在存在两个额外维度的情况下。