[論文レビュー] Neutrino magnetic moment, large extra dimensions and high energy cosmic neutrino spectra

K. R. S. Balaji, Amol Dighe+1 more|ArXiv.org|Feb 27, 2002

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、大規模な追加次元が、高エネルギー宇宙ニュートリノのスピン進化を介して、天体的磁場内で強化されたニュートリノ磁気モーメントによって媒介される、フレーバー特異的なスペクトル歪みを引き起こす可能性を提案している。アイスカウブやANTARESのようなニュートリノ望遠鏡を用いることで、1 TeV から 1000 TeV のエネルギー領域において、この効果は追加次元の基本スケールを特定し、質量階層を区別する手がかりとなる可能性がある。

ABSTRACT

We point out that the presence of bulk neutrinos in models with large extra spatial dimensions can lead to observable flavour specific deformations in the spectra of extreme high energy cosmic neutrinos. These deformations are due to the spin precession of the high energy neutrinos in the background magnetic fields via electromagnetic interactions. Measurements with existing and proposed neutrino telescopes which are meant to detect high energy neutrinos can therefore provide a novel way to probe the size of extra hidden dimensions. We qualitatively illustrate the flavour suppression due to the Earth, Sun and intergalactic magnetic fields. An observable consequence of this precession could be an angular asymmetry for the extreme high energy neutrinos from the atmosphere and flavour specific deformations of the intergalactic neutrinos.

研究の動機と目的

• ブレーン・バッキューモデルにおける大規模な追加次元が、高エネルギー宇宙ニュートリノスペクトルに観測可能な効果をもたらすかどうかを調査すること。
• 大規模な追加次元を伴うモデルにおいて強化されたニュートリノ磁気モーメントが、フレーバー組成およびスペクトル形状に与える影響を調査すること。
• アップダウン非対称性およびフレーバー特異的歪みが、追加次元の基本スケールを特定するプローブとして機能するかどうかを特定すること。
• アイスカウブやANTARESのような既存および計画中のニュートリノ望遠鏡を用いて、これらの効果が検出可能かどうかを評価すること。

提案手法

• モデルは、標準模型粒子が3+1次元のブレーンに閉じ込められ、重力およびSMシングレット場がバルクで伝播する3+1+n次元時空を仮定している。
• 標準模型ニュートリノとバルクニュートリノのカルラツ＝クラインモードとの混合により、この設定ではニュートリノ磁気モーメントが強化され、エネルギーに依存する結合定数が生じる。
• 有効ハミルトニアン形式を用いて、地球、太陽、および銀河間空間の背景磁場内での高エネルギーニュートリノのスピン進化を計算している。
• フレーバー遷移確率はユニタリ混合行列と進化位相を用いて計算され、検出器でのフラックスは初期フラックスおよび進化角の関数として表現されている。
• 分析では、3つのニュートリノ質量階層（通常順、逆順、デゲネレート）を考慮し、それらに伴うフレーバーフラックス比およびアップダウン非対称性を計算している。
• 現実の天体的条件をモデル化するため、進化位相の統計的平均を適用し、⟨cosφi⟩ = 0 および ⟨cos²φi⟩ = 0.5 と仮定している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模な追加次元の存在が、極端に高エネルギーな宇宙ニュートリノのスペクトルに観測可能なフレーバー特異的歪みを引き起こす可能性はあるか？
• RQ2 大規模な追加次元を伴うモデルにおけるニュートリノ磁気モーメントは、天体的磁場内での高エネルギーニュートリノのスピン進化にどのように影響を与えるか？
• RQ3 大気ニュートリノフラックスにおけるアップダウン非対称性が、大規模な追加次元の証拠としてどの程度の信頼性を持つのか？
• RQ4 ニュートリノ望遠鏡は、大規模な追加次元の文脈で、異なるニュートリノ質量階層を区別できるスペクトル歪みを検出可能か？
• RQ5 アイスカウブやANTARESのような今後の実験において、これらの効果のエネルギー依存性および検出可能性はどの程度か？

主な発見

• 通常質量階層では、検出フラックス比は Fe^d : Fμ^d : Fτ^d = 1 : 0.75 : 0.75 であり、アップダウン非対称性は A_e^UD : A_μ^UD : A_τ^UD = 0 : -0.45 : 1.0 である。
• 逆順質量階層では、フラックス比は Fe^d : Fμ^d : Fτ^d = 0.50 : 0.75 : 0.75 であり、非対称性は A_e^UD : A_μ^UD : A_τ^UD = -0.33 : -0.45 : 1.0 である。
• デゲネレート質量階層では、フラックス比は Fe^d : Fμ^d : Fτ^d = 0.5 : 1.0 : 0 であり、非対称性は A_e^UD : A_μ^UD : A_τ^UD = -0.33 : -0.33 : 0 である。
• 太陽磁場による進化角は、太陽から地球を通過するニュートリノに対して約 10^11 ラジアンと推定され、顕著なフレーバー効果が生じる可能性がある。
• この効果は 10^15 eV 未満のエネルギー領域で顕著であり、バックグラウンドが低く信号対雑音比が高いことから、大気ニュートリノのアップダウン非対称性が統計的に優位に現れる。
• この手法は、大規模な追加次元モデルにおける基本スケール M* のプローブを提供し、従来の衝突実験の到達範囲を超える可能性がある。