[论文解读] Ultra High Energy Gamma Rays as signature of Topological Defects

V. Berezinsky, Pasquale Blasi+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 1998

Advanced X-ray and CT Imaging参考文献 1被引用 7

一句话总结

该论文提出，拓扑缺陷（如项链状结构和单极子分子）以及原初超重粒子，可能是超高能宇宙射线（UHECRs）的来源，预测由于富含π介子的产生，其在超高能辐射中主导的光子通量。通过实验区分光子与质子引发的空气簇射，可揭示UHECRs的真实起源。

ABSTRACT

We argue that due to various restrictions only necklaces and monopolonia survive as potential sources of ultra-high energy cosmic rays, among the topological defects studied so far. Other promising sources which are similar to topological defects are relic superheavy particles. All these sources have an excess of pions (and thus photons) over nucleons at production. We demonstrate that in the case of necklaces the diffuse proton flux can be larger than photon flux, while monopolonia and relic particles are concentrated in the Galactic halo, and the photon flux dominates. In all cases considered so far, including necklaces, photons must be present in ultra-high energy radiation 1 observed from topological defects, and experimental discrimination between photon-induced and proton-induced extensive air showers can give a clue to the origin of ultra-high energy cosmic rays. I.

研究动机与目标

• 识别在已知物理约束下能够产生超高能宇宙射线的可行拓扑缺陷候选者。
• 分析这些缺陷中粒子产生谱的特征，特别是π介子和光子的过剩。
• 比较不同缺陷类型产生的质子与光子通量的相对贡献。
• 评估在UHECR观测背景下，这些来源发出的以光子为主导的辐射是否可探测。
• 为实验上区分光子引发与质子引发的广延空气簇射提供框架。

提出的方法

• 分析宇宙弦、扭结和磁单极子等拓扑缺陷中的粒子产生机制。
• 评估缺陷衰变过程中π介子和光子相对于核子的相对丰度。
• 建模源的空间分布：项链状结构（可能为延展分布）、单极子分子，以及原初超重粒子（局限于银河系晕内）。
• 在考虑传播和源分布的前提下，比较不同方向上质子与光子的总弥漫通量。
• 应用宇宙学和粒子物理的约束，排除不稳定或不可行的缺陷构型。
• 利用理论预测的粒子产额，推断超高能辐射中的可观测特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 在已知物理约束下，哪些拓扑缺陷能够实际产生超高能宇宙射线？
• RQ2 与质子相比，光子对来自拓扑缺陷源的弥漫通量的相对贡献是多少？
• RQ3 源的空间分布（如银河系晕与延展分布）如何影响观测到的光子与质子通量比？
• RQ4 在UHECR观测中，能否实验区分光子引发与质子引发的广延空气簇射？
• RQ5 超高能辐射中的哪些特征可证实拓扑缺陷源的存在？

主要发现

• 在所有拓扑缺陷中，仅项链状结构和单极子分子在物理约束下可作为超高能宇宙射线的可行来源。
• 原初超重粒子同样是可行的来源，并与拓扑缺陷具有相似的粒子产生特征。
• 项链状结构可产生超过光子通量的弥漫质子通量，与其他来源相反。
• 单极子分子和原初超重粒子集中在银河系晕内，导致观测中光子通量占主导。
• 所有考虑的来源——项链状结构、单极子分子和原初粒子——必须发射可探测的超高能光子。
• 实验上区分光子引发与质子引发的广延空气簇射，是识别超高能宇宙射线起源的关键诊断工具。