[论文解读] Weak-Scale Hidden Sector and Fireball Models of Gamma-Ray Bursts

D. Demir, Herman J. Mosquera Cuesta|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 1999

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 2

一句话总结

本文提出，红超巨星核心坍缩期间产生的弱相互作用隐性 sector粒子的对湮灭，可通过高效地将能量转化为相对论性火球，驱动伽马射线暴。该机制避免了重子负荷问题，并再现了与中微子爆发能量相当的火球能量。

ABSTRACT

The annihilation of pairs of very weakly interacting particles in the neibourghood of gamma-ray sources is introduced here as a plausible mechanism to avoid the baryon load problem. This way we can explain how these very high energy gamma-ray bursts can be powered at the onset of very energetic events like supernovae explosions. Our approach uses the weak-scale hidden sector models in which the Higgs sector of the standard model is extended to include a gauge singlet that only interacts with the Higgs particle. These particles would be produced during the implosion of the red supergiant star core. The whole energetics of the relativistic blast wave, the fireball, is easily reproduced, and found to be comparable to that one carry away by the neutrino burst.

研究动机与目标

• 解决伽马射线暴（GRB）模型中的重子负荷问题，即过量的重子含量会阻碍高能辐射的产生。
• 探索绕过标准重子过程且与观测到的高能输出一致的伽马射线暴能量替代来源。
• 研究弱相互作用、在恒星核心坍缩期间产生的隐性 sector 粒子，是否能够驱动相对论性火球阶段。
• 证明火球中的总能量可通过该机制自然再现，且与中微子爆发携带的能量一致。

提出的方法

• 引入一个弱尺度隐性 sector 模型，其中包含一个仅与标准模型希格斯粒子耦合的规范 singlet 希格斯型粒子。
• 模拟红超巨星核心坍缩期间的粒子产生过程，其中高能条件有利于生成这些弱相互作用粒子。
• 计算在伽马射线源附近的粒子-反粒子对湮灭率，假设能量释放主要通过湮灭过程。
• 估算由该湮灭过程产生的火球总能量输出，并与核心坍缩超新星中观测到的中微子爆发能量进行比较。
• 利用火球的能量预算作为一致性检验，确保其与观测到的伽马射线暴能量一致，而无需过度依赖重子加载。

实验结果

研究问题

• RQ1 隐性 sector 粒子对的湮灭是否能提供足够的能量以驱动伽马射线暴中的相对论性火球？
• RQ2 该机制如何避免限制标准 GRB 能量产生模型的重子负荷问题？
• RQ3 通过该湮灭过程产生的火球总能量输出是多少？其与中微子爆发能量相比如何？
• RQ4 该能量释放机制是否与红超巨星恒星核心坍缩的动力学一致？
• RQ5 是否可以自然再现观测到的火球能量，而无需引入以重子为主导的过程？

主要发现

• 弱相互作用隐性 sector 粒子的对湮灭提供了一种可行机制，可在不依赖高重子含量的情况下驱动伽马射线暴。
• 该模型成功再现了相对论性火球的总能量学特性，与核心坍缩超新星中观测到的能量预算一致。
• 火球的能量输出与中微子爆发携带的能量相当，表明其与已知的能量损失通道一致。
• 该机制在伽马射线源附近高效运行，因粒子密度和相互作用率足够高，可实现显著的能量释放。
• 通过引入仅与标准模型希格斯粒子耦合的规范 singlet 希格斯粒子，可在恒星核心坍缩期间自然实现粒子产生路径。
• 该模型通过依赖非重子、弱相互作用粒子作为主要能量来源，避免了重子负荷问题。