[論文レビュー] How to Detect Big Bang Relic Neutrinos?

Andreas Ringwald|ArXiv.org|May 4, 2005

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 27被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、銀河系および近隣銀河団における重力的集積効果を強調しつつ、ビッグバン残りのニュートリノの直接検出可能性を弱い相互作用を通じて検討する。超高エネルギー宇宙線検出器を用いて、特にベーゼル座およびセプティムス座の銀河団に向けての方向的ニュートリノ集積に起因する増強放射を検出することを提案し、Z崩壊の兆候や角度的非均一性がその兆候となる可能性がある。

ABSTRACT

The existence of big bang relic neutrinos - exact analogues of the big bang relic photons comprising the cosmic microwave background radiation - is a basic prediction of standard cosmology. At present, the observational evidence for their existence rests entirely on cosmological measurements, such as the light elemental abundances, anisotropies in the cosmic microwave background, and the large-scale matter power spectrum. In this review, we concentrate on the prospects of more direct, weak interaction based relic neutrino detection techniques which are sensitive to the cosmic neutrino background near the present epoch and in our local neighborhood in the universe. In this connection, we emphasize the necessity to take into account the gravitational clustering of the relic neutrinos in the cold dark matter halos of our Milky Way and nearby galaxy clusters.

研究の動機と目的

• 現在の時代における宇宙ニュートリノ背景（CνB）の直接的で弱い相互作用に基づく検出技術の探求。
• 寒冷ダークマターのハローにおけるリリックニュートリノの重力的集積効果が、局所的ニュートリノ密度および検出可能性に与える影響の評価。
• ヴァイゴやセプティムス座のような巨大銀河団からの方向的増強を、ニュートリノ誘発イベントの観点から検討可能かどうかの評価。
• 既存または近い将来の宇宙線検出器が、リリックニュートリノ相互作用の兆候（例えば吸収谷やZ崩壊）を観測できるかどうかの検討。
• 角度分解能を用いた「リリックニュートリノトモグラフィー」による局所的ニュートリノ過密度マッピングの可能性の調査。

提案手法

• 現在の温度が1.95 Kであると仮定した相空間分布の相対論的フェルミ・ディラック分布を用いたリリックニュートリノのモデル化。
• N体シミュレーションおよび球対称収縮モデルを用いて、CDMハロー内の局所的ニュートリノ過密度を推定する重力的集積効果の組み込み。
• クラスタ構造に沿った視線方向の積分と角度分解能を用い、EEC νとリリック反ニュートリノの対消滅に起因するイベントレートの増加を計算。
• クラスタ方向（例えばヴァイゴ）と等方的背景仮定との間でイベントレートを比較することによる方向的検出の信号対雑音比の推定。
• 現在および将来の検出器（例：AGASA, EUSO）が、EEC νスペクトルにおける角度的非均一性および吸収谷を検出する感度の評価。
• コherent elastic scattering検出のためのキャベンディッシュ型ねじり平衡計および高エネルギー加速器ビームの理論的妥当性の評価、感度要件との比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河および団スケールのダークマターハローにおける重力的集積効果が、標準的宇宙論的予測を上回る局所的リリックニュートリノ密度を顕著に増加させる可能性は何か？
• RQ2 ヴァイゴのような近隣の巨大銀河団からのニュートリノ誘発イベントにおける方向的増強を解像するには、どの程度の角度分解能が必要か？
• RQ3 EEC νスペクトルにおける吸収谷やEECRスペクトルにおけるZ崩壊といった兆候が、現在または近い将来の検出器でCνBを検出可能かどうか？
• RQ4 ねじり平衡実験におけるcoherent elastic scatteringによるリリックニュートリノ相互作用の検出限界は何か？また、それらは必要な感度要件と比較してどの程度か？
• RQ5 超高エネルギー宇宙線シャワーを用いて、方向的イベント集積を介してリリックニュートリノの空間的分布を調べることが可能かどうか？

主な発見

• ニュートリノ質量が0.6 eVの場合、ヴァイゴ銀河団方向の平均ニュートリノ過密度は約45と推定され、1°の角度分解能を用いると約55に増加する。
• ニュートリノ質量が0.15 eVの場合、ヴァイゴ方向の過密度は約5にとどまり、分解能を向上させると約8に上昇する。
• 等方的EEC ν源分布を仮定した場合、ヴァイゴ方向からの検出可能なイベント数はそれぞれ約45および約5の要因で増加すると予想される。
• 重力的集積は5 Mpcのスムージングスケールで最大で約2の局所的過密度をもたらすが、大規模な平均化のため、全体の放射率は顕著に増加しない。
• キャベンディッシュ型ねじり平衡による検出には、感度を少なくとも13桁向上させる必要があり、2025年以降には到達困難と予想される。
• 現在の観測境界に近いEEC νフラックスおよびニュートリノ質量が0.1 eV以上であれば、EUSOはクラスタ方向からの吸収谷および増強Z崩壊信号の両方を検出可能となる可能性がある。