[論文レビュー] EeV neutrinos associated with UHECR sources

Zhuo Li, Eli Waxman|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2007

Noncommutative and Quantum Gravity Theories参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、ガンマ線バースト（GRBs）などの超高エネルギー宇宙線（UHECR）源からのエクサエレクトロンボルト（EeV）ニュートリノを検出するための新規メカニズムを提案する。ここで、パイオン崩壊に伴う高エネルギー光子が、クライン＝ニシナ抑制によって源から脱出可能となり、宇宙マイクロ波背景（CMB）と相互作用してミューオン対を生成する。その結果生じるミューオンの崩壊が、源と方向および時間的に相関した高エネルギーニュートリノを生成し、Waxman-Bahcall限界の数パーセントに達する可能性があり、直接的なUHECR源の特定と、量子重力に起因するローレンツ対称性破れの厳密な検証を可能にする。

ABSTRACT

Electromagnetic energy losses of charged pions and muons suppress the expected high energy, >1E18 eV, neutrino emission from sources of ultrahigh energy, >1E19 eV, cosmic-rays. We show here that >1E19 eV photons produced in such sources by neutral pion decay may escape the sources, thanks to the Klein-Nishina suppression of the pair production cross section, and produce muon pairs in interactions with the cosmic microwave background. The flux of muon decay neutrinos, which are expected to be associated in time and direction with the electromagnetic emission from the sources, may reach a few percent of the Waxman-Bahcall bound. Their detection may allow one to directly identify the sources of >1E19 eV cosmic-rays, and will provide the most stringent constraints on quantum-gravity-induced Lorentz violation.

研究の動機と目的

• UHECR源に関連する新たな、抑制されない高エネルギーニュートリノ源の同定。パイオンおよびミューオンのエネルギー損失による制限を克服する。
• 高エネルギー光子（>10^19 eV）が、ペア生成のクライン＝ニシナ抑制により、強力な放射場があるにもかかわらずUHECR源から脱出可能であることを示す。
• これらの脱出光子がCMBと相互作用してミューオン対を生成し、検出可能なEeVニュートリノを生じることを示す。
• 磁場による偏光を受けることなく、時間的および方向的相関によってニュートリノとUHECR源を直接関連付ける。
• GRB光子に対するEeVニュートリノの時間遅延測定を用いて、量子重力に起因するローレンツ不変性破れを検証する道筋を提供する。

提案手法

• 相対論的運動論および重心系フレームを用いて、高エネルギー光子（>10^19 eV）とCMB光子の相互作用におけるミューオン対生成断面積をモデル化する。
• 式（1）に示される逆平均自由行程の式を用い、熱的CMBスペクトルとエネルギー依存性を持つ断面積を考慮して、ミューオン対生成の光学濃度を計算する。
• クライン＝ニシナ抑制を適用し、約10^19 eV以上の光子が、高密度放射場の中でも光学的に薄いため、源から脱出可能であることを示す。
• UHECRエネルギーの約2%がニュートリノに変換されると仮定し、ミューオン生成に寄与する光子エネルギーの割合（f_μ ≈ 0.03–0.1）を推定し、その結果生じるニュートリノフラックスを算出する。
• ニュートリノの振動を考慮し、地球におけるフレーバー比が0.4:0.3:0.3（ν_e:ν_μ:ν_τ）であると予測する。これはパイオン崩壊由来の1:1:1とは異なる。
• ARIANNA（EeVニュートリノに感度を持つニュートリノ望遠鏡）を用いた検出可能性の評価と、ローレンツ不変性破れの時間遅延シグネチャーの評価を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強力な放射場があるにもかかわらず、高エネルギー光子（>10^19 eV）がクライン＝ニシナ抑制によりUHECR源から脱出可能か。
• RQ2 これらの脱出光子がCMBと相互作用してミューオン対をどれほど生成できるか。
• RQ3 このメカニズムを通じて、UHECRエネルギーの何パーセントが検出可能なEeVニュートリノに変換可能か。
• RQ4 宇宙空間の磁場がある中でも、時間的および方向的相関によってニュートリノが元の源と関連づけられるか。
• RQ5 GRB光子に対するEeVニュートリノの時間遅延測定は、量子重力に起因するローレンツ不変性破れの検証にどれほど感度があるか。

主な発見

• CMBとの相互作用による光子エネルギーのミューオン対生成への変換率は約3–10%であり、エネルギーが約10^20 eVのときミューオン対生成の平均自由行程は約10^27 cmである。
• ミューオン崩壊に起因する予想されるニュートリノフラックスは、Waxman-Bahcall限界のおよそ2%に達し、内部のパイオン崩壊による抑制されたフラックスよりも顕著に高い。
• 赤方偏移z=1の源では、地球におけるニュートリノの特徴的なエネルギーは約3×10^17 eVであり、このエネルギーよりも低いエネルギーではフラックスが強く抑制される。
• 地球におけるニュートリノフレーバー比は、0.4:0.3:0.3（ν_e:ν_μ:ν_τ）と予測され、ニュートリノ振動のためパイオン崩壊由来の1:1:1とは異なる。
• GRB光子とEeVニュートリノの間の時間遅延は、宇宙空間の磁場が1 nG未満であれば1 ms未満に予想され、ローレンツ不変性破れの精密な検証が可能である。
• GRBから数年後に検出された1つのEeVニュートリノであっても、そのバーストと関連づけられ、量子重力の制約を高精度で得るための時間遅延測定が可能である。