[論文レビュー] Fundamental physics with high-energy cosmic neutrinos today and in the future

C. Argüelles, Mauricio Bustamante+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2019

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 11

ひとこと要約

この論文は、アイスカウブおよび将来の観測施設で検出された高エネルギー宇宙ニュートリノが、標準模型を超える素粒子物理学の独自のプローブであることを示している。これらのニュートリノは、極めて高いエネルギー（テバールト〜ペタールト）と長い伝播基準距離（最大でギガパーセク）を有するため、ローレンツ対称性の破れ、CPT対称性の破れ、ニュートリノの崩壊といった新しい物理現象に対する感受性を高め、加速器では到達できないスケールでの結合定数の制約を可能にする。

ABSTRACT

The astrophysical neutrinos discovered by IceCube have the highest detected neutrino energies --- from TeV to PeV --- and likely travel the longest distances --- up to a few Gpc, the size of the observable Universe. These features make them naturally attractive probes of fundamental particle-physics properties, possibly tiny in size, at energy scales unreachable by any other means. The decades before the IceCube discovery saw many proposals of particle-physics studies in this direction. Today, those proposals have become a reality, in spite of astrophysical unknowns. We will showcase examples of doing fundamental neutrino physics at these scales, including some of the most stringent tests of physics beyond the Standard Model. In the future, larger neutrino energies --- up to tens of EeV --- could be observed with larger detectors and further our reach.

研究の動機と目的

• 地上加速器では到達できないエネルギースケールにおける、高エネルギー宇宙ニュートリノが素粒子物理学の基本的探査に果たす可能性を評価すること。
• ニュートリノデータから新しい物理のシグナルを抽出する際の天体物理学的不確実性の課題に対処すること。
• ニュートリノ生成、伝播、検出における影響をもとに、新しいニュートリノ物理学のモデルを分類すること。
• 現在および将来のニュートリノ望遠鏡が、さまざまな新しい物理現象に対してどの程度感受性を示すかを評価すること。
• 理論的予測から、実際のニュートリノ観測に基づく新しい物理の検証へと移行すること。

提案手法

• 新しい物理効果のエネルギーおよび基準距離依存性を用いる：∼κₙEₙᴸ、ここでEνはニュートリノエネルギー、Lは伝播距離、κₙはモデルに依存する結合定数である。
• 新しい物理のモデルを、それが作用する段階（生成、伝播、検出）および影響を受ける観測量（エネルギースペクトル、フレーバー構成、到着方向、到着時刻）によって分類する。
• 8年間にわたり約100件の閉じ込められた高エネルギーニュートリノイベントを検出したアイスカウブの現在のデータを分析し、新しい物理の制約を求める。
• 次世代検出器（アイスカウブ・ジェネレーション2、KM3NeT、バイカル・GVD）の性能を評価し、エネルギー、方向、フレーバー分解能の向上を検証する。
• 重力波、光子、宇宙線といったマルチメッセンジャー観測データを統合し、素粒子物理学の抽出における天体物理学的系制度を低減する。
• 統計的および系制度の誤差モデルを適用し、ニュートリノ観測量における微細な新しい物理シグナルの検出可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにしてテバールト〜ペタールトのエネルギーを有する高エネルギー宇宙ニュートリノが、粒子加速器では到達できないエネルギースケールでの新しい物理を探査できるのか？
• RQ2 最大でギガパーセクに及ぶ長い伝播基準距離は、ニュートリノ崩壊やローレンツ対称性の破れといった微小な新しい物理効果に対する感受性をどのように高めるのか？
• RQ3 フレーバー構成、エネルギースペクトル、到着方向、到着時刻が、新しい物理モデルの区別にどのように寄与するのか？
• RQ4 エネルギー、方向、フレーバー再構築における系統的不確実性が、現在および将来のニュートリノ望遠鏡における新しい物理の検出をどの程度制限するのか？
• RQ5 マルチメッセンジャー手法は、宇宙ニュートリノデータから素粒子物理学を抽出する際の天体物理学的曖昧性をどの程度低減できるのか？

主な発見

• Eν ~ ペタールト、L ~ ギガパーセクの高エネルギー宇宙ニュートリノは、~4×10⁻⁴⁷ PeV¹⁻ⁿの結合定数まで感受性を示すことができ、大気ニュートリノの制限をはるかに下回る。
• 宇宙論的距離にわたるニュートリノ伝播は微小な新しい物理効果を増幅させ、それらが極めて小さな結合定数であっても検出可能になる。
• アイスカウブによるエネルギーがペタールトに達する宇宙ニュートリノフラックスの検出は、すでに新しい物理の理論的予測に対する最初の実証的テストを可能にした。
• アイスカウブ・ジェネレーション2（アイスカウブ体積の5倍）やKM3NeTといった将来の検出器は、統計的データと分解能を著しく向上させ、フレーバー構成や到着時刻相関に対する感受性を高める。
• ローレンツ不変性の破れや余剰相互作用が残響ニュートリノ背景と相互作用することで、ニュートリノと光子の間で測定可能な時間遅れが生じる可能性があり、これは検証可能なシグナルを提供する。
• νₑとνₜのシャワー形態が類似しているため、フレーバー同定は依然として困難であるが、今後のデータでは改善された再構築技術により不確実性が低減されると期待される。