[論文レビュー] Color octet neutrino as the source of the IceCube PeV energy neutrino events

A. N. Akay, Ü. Kaya+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2014

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 5被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、アイスカウルが観測した2つのペブロンエネルギーの中性子星イベントが、プリオンモデルによって予言される架空の色八重項中性子星の共鳴生成によって生じると提案している。合成スケールに依存する有効ラグランジアンとCalcHEPのシミュレーションを用いて、Λ ≈ 10 TeVである0.5–0.8 TeVの色八重項中性子星が、観測されたイベントレートとエネルギー分布を再現できることを示している。半分のエネルギーがν+gへの見えない崩壊によって失われるため、宇宙の中性子星エネルギー範囲が1–4 PeVであると説明できる。

ABSTRACT

It is shown that two PeV events observed by the IceCube collaboration can be interpreted as resonance production of color octet neutrinos.

研究の動機と目的

• アイスカウルが観測した2つの高エネルギーPeV中性子星イベントを、標準模型を超える新しい物理の証拠として説明すること。
• プリオンモデルによって予言される色八重項中性子星が、中性子星-核子散乱における共鳴生成によってこれらのイベントを説明できるかどうかを調査すること。
• これらのイベントのエネルギー分布とレートを説明する観点から、この解釈の妥当性を、レプトクォークなどの既存モデルと比較すること。
• アイスカウルのデータ、特に0.3 PeV未満および2 PeVを超えるイベントの欠如を再現するための、色八重項中性子星の必要な質量および合成スケール（Λ）を特定すること。

提案手法

• 色八重項中性子星のための有効ラグランジアンを定式化し、合成スケールΛを介したグルーオンとの相互作用を含める。相互作用項には、場の強度テンソルGμναとヘリシティ因子が含まれる。
• ν₈の崩壊幅はΓν₈ = αs(Mν₈)Mν₈³ / (4Λ²)として導出され、Λ²に逆比例することが示され、これによりν₈ → ν + gの見えない崩壊をモデル化する。
• CalcHEPソフトウェアを用いて、CTEQ6Lのパートン分布関数とA-W中性子星フラックスΦν^A-W ∝ Eν^−2.3を組み合わせ、νN散乱におけるν₈生成断面積を計算する。
• イベントレートはN = ntΩ∫σν₈|Br|Φν^A-W dEνにより計算され、露出時間t = 662日、標的核子数n = 6×10³⁸、立体角Ω = 4πである。
• エネルギー分布dN/dEνは、断面積とA-Wフラックスを畳み合わせることでシミュレートされ、イベント数はエネルギー範囲に応じてビニングされ、アイスカウルのデータと比較される。
• Mν₈とΛのパラメータスキャンを実施し、0.5 PeV未満および2 PeVを超えるイベントの欠如を考慮して、1–4 PeV範囲で正確に2件のイベントを再現する値を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アイスカウルが観測した2つのPeV中性子星イベントが、レプトクォークやダークマターではなく、色八重項中性子星の共鳴生成によって説明可能か？
• RQ2 色八重項中性子星の質量と合成スケール（Λ）は、アイスカウルの観測されたイベントレートとエネルギースペクトルを再現するためにどの程度必要か？
• RQ3 見えないν₈ → ν + g崩壊によるエネルギー損失は、推定される宇宙の中性子星エネルギー範囲にどのように影響を与え、0.3 PeV未満および2 PeVを超えるイベントの欠如を説明できるか？
• RQ4 活性な3種類の色八重項中性子星（νₑ₈, νμ₈, ντ₈）を解釈に含めると、レプトクォークモデルと比較して予測されるイベントレートにどのような影響を与えるか？

主な発見

• 質量が約500–800 GeV、合成スケールΛ ≈ 10 TeVの色八重項中性子星は、1–4 PeV範囲の観測された2件のイベントを再現でき、アイスカウルのデータと一致する。
• Λ ≈ 10 TeVでMν₈ ≈ 500–800 GeVのとき、1–4 PeV範囲のイベントレートが最大となり、全質量で2.00件の予測イベント数が得られる。
• Mν₈ > 500 GeVの場合、1 PeV未満のイベントが顕著に抑制され、0.24–0.68件の予測が得られ、アイスカウルの低エネルギーイベントの欠如と整合する。
• エネルギー分布dN/dEνは1–4 PeV範囲にピークを持ち、4 PeVを超えて急激に減少し、アイスカウルにおける高エネルギーイベントの欠如と一致する。
• モデルではエネルギーの半分が見えない崩壊（ν₈ → ν + g）によって失われるため、1–2 PeVではなく1–4 PeVの宇宙の中性子星エネルギー範囲を用いる正当性が得られる。
• Mν₈ = 500 GeV、Λ = 31.7 TeVの場合、1–4 PeV範囲で2.00件のイベントを予測し、1 PeV未満では1.12件にとどまる。これはアイスカウルのデータとよく一致する。