[論文レビュー] High-energy cosmic neutrinos as a probe of the vector mediator scenario in light of the muon $g-2$ anomaly and Hubble tension

Jose Carpio, Kohta Murase+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、ミュオンの $g-2$ 異常とハッブル定数の矛盾を統一的に説明する可能性を有する、ゲージ化された $L_\mu - L_\tau$ モデルを検討し、アイスキューブが高エネルギー宇宙ニュートリノを用いて、この状況をニュートリノの自己相互作用を通じて探査できることを示している。解析の結果、中間子質量 $m_{Z'} \sim 10$ MeV および結合定数 $g_{\mu\tau} \sim 0.1$ の領域が好ましいことが判明し、これは両方の異常を説明するパラメータ領域と重複しており、アイスキューブ・ジェネレーション2（IceCube-Gen2）がこのモデルをテスト可能であり、全ニュートリノ質量を $0.06~{\rm eV} \lesssim \Sigma m_\nu \lesssim 0.3~{\rm eV}$ に制限すると予想される。

ABSTRACT

In light of the recent Muon $g-2$ experiment data from Fermilab, we investigate the implications of a gauged $L_μ - L_τ$ model for high energy neutrino telescopes. It has been suggested that a new gauge boson at the MeV scale can both account for the Muon $g-2$ data and alleviate the tension in the Hubble parameter measurements. It also strikes signals at IceCube from the predicted resonance scattering between high-energy neutrinos and the cosmic neutrino background. We revisit this model based on the latest IceCube shower data, and perform a four-parameter fit to find a preferred region. We do not find evidence for secret interactions. The best-fit points of $m_{Z'}$ and $g_{μτ}$ are $\sim10$~MeV and $\sim0.1$, respectively, depending on assumptions regarding the absolute neutrino masses, and the secret interaction parameter space allowed by the observed IceCube data overlaps with the regions of the parameter space that can explain the muon $g-2$ anomaly and Hubble tension as well. We demonstrate that future neutrino telescopes such as IceCube-Gen2 can probe this unique parameter space, and point out that successful measurements would infer the neutrino mass with $0.06~{ m eV}\lesssim Σm_ν\lesssim 0.3~{ m eV}$.

研究の動機と目的

• ゲージ化された $L_\mu - L_\tau$ モデルが、ミュオンの $g-2$ 異常とハッブル定数の矛盾を説明するために提案されたものであるが、アイスキューブの高エネルギー宇宙ニュートリノデータによってそのモデルが探査可能かどうかを検証すること。
• MeV 級の質量を有する $Z'$ ボソンによって媒介される、秘密のニュートリノ自己相互作用に対する、現在のアイスキューブのシャワー観測データの感度を評価すること。
• アイスキューブのデータ、ミュオンの $g-2$ 測定結果、およびハッブル定数の制約を組み合わせることで、絶対的ニュートリノ質量スケールに対する非自明な制約を導出できるかどうかを検討すること。
• 特にアイスキューブ・ジェネレーション2（IceCube-Gen2）が、$g-2$ 異常およびハッブル定数の矛盾に起因する好ましいパラメータ空間をどの程度探査できるかを予測すること。

提案手法

• 6年分のアイスキューブ・シャワー観測データを用いて、$m_{Z'}$、$g_{\mu\tau}$、およびニュートリノ質量パラメータを制約する4パラメータのフィットを実行した。
• 高エネルギー宇宙ニュートリノと宇宙背景ニュートリノとの間の共鳴散乱を、$Z'$ によって媒介される秘密の相互作用としてモデル化した。
• 尤度解析を適用し、$Z'$ モデルとノルマル（null）仮説を比較した。特に、自己相互作用を示すスペクトルの谷（dip）に注目した。
• エネルギー吸収効率の低下や大気的背景といった系誤差を評価し、特に谷の特徴の検出に与える影響に注目した。
• 非キャスケード系シミュレーションとの比較により、上向き散乱およびキャスケード効果の役割を評価し、好ましいパラメータ領域の妥当性を検証した。
• アイスキューブ・ジェネレーション2の将来の感度を予測した。これは、谷の特徴を検出可能であり、好ましいパラメータ空間を確認できると仮定している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミュオンの $g-2$ 異常とハッブル定数の矛盾を説明する $L_\mu - L_\tau$ モデルは、アイスキューブの高エネルギー宇宙ニュートリノデータによって検証可能か？
• RQ2 現在のアイスキューブ・シャワー観測データによって制約された $m_{Z'}$ および $g_{\mu\tau}$ の好ましいパラメータ空間は何か？
• RQ3 秘密のニュートリノ自己相互作用の許容されるパラメータ空間が、ミュオンの $g-2$ 異常とハッブル定数の矛盾を説明するために必要な領域とどの程度重複しているか？
• RQ4 将来のニュートリノ望遠鏡、特にアイスキューブ・ジェネレーション2は、$m_{Z'} \sim 10$ MeV および $g_{\mu\tau} \sim 0.1$ の $Z'$ ボソンの存在を確認できるパラメータ領域をどの程度探査可能か？
• RQ5 アイスキューブ、ミュオンの $g-2$ 測定、およびハッブル定数の測定結果を統合した場合、全ニュートリノ質量 $\Sigma m_\nu$ に対してどの程度の制約が得られるか？

主な発見

• 現在のアイスキューブ6年分のシャワー観測データには、秘密の相互作用の明確な証拠は見られないが、最適なパラメータは、絶対的ニュートリノ質量に関する仮定に依存して $m_{Z'} \sim 10$ MeV および $g_{\mu\tau} \sim 0.1$ となる。
• アイスキューブのデータによって許容されるパラメータ空間は、ミュオンの $g-2$ 異常を説明する領域およびハッブル定数の矛盾を緩和する領域と重複しており、一貫性があり、検証可能なモデルであることが示された。
• 将来のアイスキューブ・ジェネレーション2は、好ましいパラメータ領域を探査可能であり、$Z'$ によって媒介されるニュートリノ自己相互作用に起因する谷の特徴を検出可能であると予想される。
• もし確認されれば、このモデルにより全ニュートリノ質量が $0.06~{\rm eV} \lesssim \Sigma m_\nu \lesssim 0.3~{\rm eV}$ に制限され、宇宙論的および実験的測定と照合可能な重要なチェックが可能になる。
• 系誤差（エネルギー吸収効率の低下や大気的背景）に対して、ニュートリノエネルギースペクトルの谷の特徴は頑健であることが示されたが、キャスケード効果により信号は最大で2倍程度減少する。
• 本研究では、マルチメッセンジャー観測（特に、秘密の散乱に起因するニュートリノエコー）が、天体的源の不確実性に依存せず、モデルを独立して検証可能であることを確認した。