[論文レビュー] Flavour specific neutrino self-interaction: $H_0$ tension and IceCube

Arindam Mazumdar, Subhendra Mohanty+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2020

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、H₀の不一致とIceCubeが観測したペブロン・ニュートリノフラックスの低下を統一的に解決するため、フレーバー特異的なニュートリノ自己相互作用を検討している。分析の結果、逆質量階層におけるタウニュートリノの自己相互作用のみが、1-σの誤差範囲で宇宙論的制約とIceCubeのデータの両方に整合することが判明した。他のフレーバー組み合わせでは、宇宙論的データが許容する強度よりも強い自己相互作用を必要とし、ΛCDMを超える新しい物理学の妥当なモデルを制限する。

ABSTRACT

Self-interaction in the active neutrinos is studied in the literature to alleviate the $H_0$ tension. Similar self-interaction can also explain the observed dips in the flux of the neutrinos coming from the distant astro-physical sources in IceCube detectors. In contrast to the flavour universal neutrino interaction considered for solving the $H_0$ tension, which is ruled out from particle physics experiments, we consider flavour specific neutrino interactions. We show that the values of self-interaction coupling constant and mediator mass required for explaining the IceCube dips are inconsistent with the strong neutrino self-interactions preferred by the combination of BAO, HST and Planck data. However, the required amount of self-interaction between tau neutrinos ($ν_τ$) in inverted hierarchy for explaining IceCube dips is consistent with the moderate self-interaction region of cosmological bounds at 1-$σ$ level. For the case of other interactions and hierarchies, the IceCube preferred amount of self-interaction is consistent with moderate self-interaction region of cosmological bounds at 2-$σ$ level only.

研究の動機と目的

• フレーバー普遍的結合による制約を避けるために、フレーバー特異的ニュートリノ自己相互作用を導入することでH₀の不一致を解消すること。
• IceCubeのペブロンニュートリノフラックス低下を説明するニュートリノ自己相互作用が、Planck、BAO、HSTデータからの宇宙論的制約と整合するかどうかを検証すること。
• 宇宙論的制約と天体物理学的制約の両方を同時に満たすニュートリノフレーバーおよび質量階層の組み合わせを特定すること。
• MeVスケールの媒介粒子が、H₀の不一致とIceCubeの異常を一つの理論的枠組みで解消できるかを評価すること。

提案手法

• 本研究では、各フレーバー$i = e, \mu, \tau$に対して、$\mathcal{L} = G_{\rm eff} (\bar{\nu}_i \nu_i)(\bar{\nu}_i \nu_i) $ というフレーバー特異的結合を持つ、修正されたニュートリノ自己相互作用ラグランジアンを採用している。
• 宇宙論的制約は、Planck CMB、BAO、HSTデータを用いたMCMC解析から導出され、$G_{\rm eff}$、$m_0$、$N_{\rm eff}$、および標準的な宇宙論的パラメータに事前分布を設定している。
• IceCubeデータの分析には、非対称な誤差をモデル化するための一般化された尤度関数が用いられ、400 TeV〜1 PeVのエネルギー範囲での観測フラックス低下を扱っている。
• 解析には、共鳴的でオンシェルの生成メカニズム $\nu\nu \to \phi$ が含まれており、$E_\nu = m_\phi^2 / (2m_\nu)$ のとき、ニュートリノスペクトルに吸収ダイプが生じる。
• 正規および逆質量階層の両方において、普遍的、$\nu_e$、$\nu_\mu$、$\nu_\tau$ の自己相互作用モデルを比較している。
• 統計的有意性は、$\Lambda$CDMモデルと自己相互作用モデルとの間で$-\log$（尤度）を比較することで評価している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フレーバー特異的ニュートリノ自己相互作用は、素粒子物理学的制約を満たしたままH₀の不一致を解消できるか？
• RQ2 IceCubeのフラックス低下を説明するために必要な自己相互作用強度は、Planck、BAO、HSTからの宇宙論的制約と整合するか？
• RQ3 どのニュートリノフレーバーと質量階層の組み合わせが、IceCube観測と宇宙論的データの両方を満たす自己相互作用を可能にするか？
• RQ4 $\nu_\tau$ 自己相互作用の導入により、普遍的結合と比較して宇宙論的データへのフィットが改善されるか？
• RQ5 フレーバー特異的自己相互作用モデルは、標準的な$\Lambda$CDMモデルと比較して、統計的に有意性が高いか？

主な発見

• 逆質量階層における$\nu_\tau$-$\nu_\tau$自己相互作用は、1-σの誤差範囲で宇宙論的制約のやや強い自己相互作用領域と整合している。
• 他のすべてのフレーバー組み合わせおよび階層では、IceCubeのダイプを説明するために必要な自己相互作用強度は、1-σの範囲では不一致であり、2-σの範囲でのみ整合する。
• $\nu_\tau$-$\nu_\tau$相互作用モデルは、$-\log$（尤度）が236.58に達し、$\Lambda$CDM（794.84）よりも著しく優れているため、Planck、BAO、HSTデータの組み合わせに対するフィットが改善されている。
• 普遍的自己相互作用モデル（フレーバー普遍的）は、逆質量階層において$-\log$（尤度）が263.51であったが、MeVスケールの媒介粒子結合による素粒子物理学的制約により除外された。
• Planck TTおよびTEデータ（1200 ≤ l ≤ 2500）を含めた解析では、$\log_{10}(G_{\rm eff} \, \text{MeV}^2)$ が強い自己相互作用領域とやや強い自己相互作用領域の二峰性分布を示した。
• 強度のやや強い自己相互作用領域では、$\pi^+\to e^+\nu_e$、$K^+\to \mu^+\nu_\mu$、$Z/\tau$の非可視崩壊からの制約によって除外されない唯一のフレームである$\nu_\tau$自己相互作用が、有効である。