[論文レビュー] Fundamental Physics with High-Energy Cosmic Neutrinos

M. Ackermann, Ahlers, Markus+17 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2019

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 214被引用数 35

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、高エネルギー宇宙ニュートリノが、標準模型を超える新しい物理を調べる手段としてどのように機能するかを概説している。具体的には、ローレンツ不変性の破れ、ニュートリノ磁気モーメント、ステアーリングニュートリノといった新しい物理現象を対象としている。今後、IceCube-Gen2 や KM3NeT といったニュートリノ観測所が、エネルギースペクトル、フレーバー構成、到着方向、時間的性質を測定することで、地上実験では到達できないエネルギースケールでの基本的対称性や新しい粒子の検証が可能になる。

ABSTRACT

High-energy cosmic neutrinos can reveal new fundamental particles and interactions, probing energy and distance scales far exceeding those accessible in the laboratory. This white paper describes the outstanding particle physics questions that high-energy cosmic neutrinos can address in the coming decade. A companion white paper discusses how the observation of cosmic neutrinos can address open questions in astrophysics. Tests of fundamental physics using high-energy cosmic neutrinos will be enabled by detailed measurements of their energy spectrum, arrival directions, flavor composition, and timing.

研究の動機と目的

• 高エネルギー宇宙ニュートリノを用いて解き明かせる素粒子物理学における主要な基礎的問題を特定すること。
• 将来のニュートリノ観測所が、ニュートリノエネルギースペクトル、フレーバー構成、到着方向、時間的性質をどのように測定することで新しい物理を検証できるかを概説すること。
• 地上加速器で到達できないエネルギースケールでの物理を、宇宙ニュートリノ観測によって探査するためのロードマップを策定すること。
• 次世代ニュートリノ検出器の開発を促進するため、それらが未解決の基礎的物理問題をどのように解消できるかを示すこと。
• ニュートリノ天文学の今後の投資の科学的基盤を提供し、新しい物理の解明におけるその役割を明確にすること。

提案手法

• 標準模型を超える新しい物理を制限するために、高エネルギー宇宙ニュートリノの期待されるエネルギースペクトルを分析すること。
• 天体的ニュートリノのフレーバー構成をモデル化し、標準的な3フレーバー振動からのずれを検出すること。
• 到着方向分布を用いて、ニュートリノの崩壊やローレンツ不変性の破れに関連する非均一性を探索すること。
• 電磁的信号（例：ガンマ線バースト）との相対的なニュートリノバーストの時間的解析を用いて、ローレンツ不変性や等価原理の破れを検証すること。
• 大容量検出器（例：IceCube、KM3NeT）におけるニュートリノ相互作用をシミュレーションし、新しい粒子や結合定数に対する感度を予測すること。
• ニュートリノポータルダークマター、二重特殊相対性理論、CPT反転の破れといった理論的枠組みを統合し、観測可能なシグナルを定義すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ガンマ線バーストからの光子と比較して、高エネルギーニュートリノにエネルギー依存の時間遅れが観測された場合、ローレンツ不変性の破れの証拠となるか？
• RQ2 宇宙ニュートリノのフレーバー比が期待される1:1:1からずれている場合、ニュートリノの崩壊や磁気モーメントの相互作用といった新しい物理の兆候となるか？
• RQ3 宇宙ニュートリノのエネルギースペクトルは、ステアーリングニュートリノや他の弱い相互作用を示す粒子の存在を制限できるか？
• RQ4 Blazar やガンマ線バーストなどの一時的天体源からのニュートリノバーストの時間分解測定は、等価原理の破れを明らかにできるか？
• RQ5 遠方の天体源からのニュートリノのフレーバー構成は、新しい相互作用や非標準的ニュートリノ振動を調べるのに利用できるか？

主な発見

• 高エネルギー宇宙ニュートリノは、地上加速器では到達できない10^16 GeVを超えるエネルギースケールでの新しい物理を調べる手段となる。
• 100 TeVを超えるエネルギーで測定されたニュートリノフレーバー比は、ニュートリノ磁気モーメントを10^-15 ボーリング磁気モンの以下に制限できる。
• ガンマ線バーストからの高エネルギーニュートリノと光子の間でエネルギー依存の時間遅れが観測された場合、ローレンツ不変性の破れの証拠となる。
• 宇宙ニュートリノの到着方向分布は、ニュートリノの崩壊やダークマターとの結合といった新しい物理と関連する非均一性を明らかにできる。
• 次世代検出器（例：IceCube-Gen2）によるフレーバー構成測定は、標準的な3フレーバー振動からのずれを検出でき、新しいニュートリノ相互作用の兆候となる可能性がある。
• ニュートリノイベントと電磁的トランスジェントの時間的一致は、1秒未塔の精度で弱い等価原理を検証する手段として利用できる。