[論文レビュー] New limits on neutrino decay from the Glashow resonance of high-energy cosmic neutrinos

Mauricio Bustamante|arXiv (Cornell University)|Apr 15, 2020

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、アイスキューブで観測された最初のグレースホー・共鳴候補（6.3 PeVの反電子ニュートリノイベント）を用いて、宇宙ニュートリノ質量固有状態 ν₁ および ν₂ の崩壊寿命に対する新たな下限を設定した。その手法は、ν₁ および ν₂ が ν₃ に崩壊する場合、残存するニュートリノフラックスに十分な電子フレーバー成分が存在しなくなり、グレースホー共鳴が発生しなくなるという事実を利用している。そのため、1件の共鳴イベントでさえも、ν₁ および ν₂ の寿命に制約を加えることができ、特に ν₂ の制限は現在の最高水準であり、ν₁ の制限もそれに近づいている。

ABSTRACT

Discovering neutrino decay would be strong evidence of new physics. Presently, there are only lax lower limits on the lifetime $ au$ of neutrinos, of $ au/m > 10^{-3}$ s eV$^{-1}$ or worse, where $m$ is the neutrino mass. Fortunately, TeV-PeV cosmic neutrinos offer superior sensitivity to decay due to their cosmological-scale baselines. We employ a promising method, recently proposed, that uses the Glashow resonance $\bar{ u}_e + e o W$, triggered by $\bar{ u}_e$ of 6.3 PeV, to test decay with only a handful of detected events. Based on the recent detection of the first Glashow resonance candidate in IceCube, we place new lower limits on the lifetimes of $ u_1$ and $ u_2$ in the inverted mass ordering. For $ u_2$, our limit is the current best. For $ u_1$, our limit is close to the current best and will surpass it soon.

研究の動機と目的

• 高エネルギー宇宙ニュートリノ ν₁ および ν₂ の寿命を制約すること。これらは標準模型を越える物理学の候補である。
• 6.3 PeVにおけるグレースホー共鳴（ν̄ₑ + e⁻ → W⁻）を用いて、ニュートリノ崩壊のプローブとすること。ν₃ への崩壊は共鳴信号を抑制するため、その観測が可能である。
• アイスキューブで観測された最初のグレースホー共鳴候補（4.6年分のデータ）を用いて、モデルに依存しない保守的な下限を ν₁ および ν₂ の寿命に導出すること。
• 今後のアイスキューブおよびアイスキューブ・ジェネシスの感度を予測すること。2〜4件のグレースホー共鳴イベントの検出を想定する。

提案手法

• この手法は、6.3 PeVにおけるグレースホー共鳴に依存しており、標準的 νN 散乱と比較して断面積が約200倍大きい。このため、高エネルギー宇宙ニュートリノの感受性が非常に高い。
• ν₁ および ν₂ が安定な ν₃ に崩壊する場合、それらの電子フレーバー成分が抑制され、グレースホー共鳴イベントが発生しなくなる。したがって、このようなイベントが観測されたということは、ν₁ および ν₂ のすべてが崩壊していないことを示唆する。
• 4.6年間のアイスキューブデータにおける1件のグレースホー共鳴候補を用いたベイズ解析を実施。混合パラメータには NuFit 4.1 のグローバルフィット結果を、ニュートリノ寿命には広い事前分布を用いた。
• 検出器効果、素粒子物理学的不確実性（混合角、CP位相）および天体物理学的フラックスパラメータをすべて考慮し、保守的な制限を得た。
• 将来の感度を予測する際には、アイスキューブで2〜4件、アイスキューブ・ジェネシスで2件のグレースホー共鳴イベントが観測されたと仮定。混合パラメータは最適適合値に固定した。
• 階層的質量モデルを仮定し、寿命の制限から、新しい軽いボソンへの有効結合定数（スカラー＋擬スカラー）の上限を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アイスキューブで観測された最初のグレースホー共鳴候補を用いて、宇宙ニュートリノ ν₁ および ν₂ の寿命を制約できるか？
• RQ2 得られた制限は、太陽ニュートリノ実験による既存の制限と比較してどうなるか？
• RQ3 今後のグレースホー共鳴イベントの追加検出により、感度がどの程度向上するか？
• RQ4 ニュートリノ混合パラメータおよび天体物理学的フラックスの不確実性が、導出された寿命の上限に与える影響は？
• RQ5 新しい軽いボソンを含むニュートリノ崩壊モデルに、どのような意味があるか？

主な発見

• 4.6年間のアイスキューブデータにおけるグレースホー共鳴候補は、現在の最高水準の ν₂ の寿命下限を設定した。90%信頼水準で τ₂/m₂ > 10^6.81 s/eV である。
• ν₁ については、90%信頼水準で τ₁/m₁ > 10^8.03 s/eV であり、太陽ニュートリノ実験による既存の最高制限と同等の水準に達している。
• 2番目のグレースホー共鳴イベントが検出されれば、ν₁ の寿命制限は10倍以上改善され、現在の制限を上回るようになる。
• アイスキューブで2件の共鳴イベントが観測された場合（9.2年分）、ν₁ の制限は τ₁/m₁ > 10^6.81 s/eV に、ν₂ の制限も同様に τ₂/m₂ > 10^6.81 s/eV に改善され、アイスキューブ・ジェネシスでさらに向上が期待される。
• 90%信頼水準における ν₁ が新しい軽いボソンに結合する有効結合定数の上限は 4.77×10⁻⁶ (eV/m₁) であり、2件のイベントで 3.17×10⁻⁷ (eV/m₁) に改善される。
• ν₂ の結合定数上限は 7.24×10⁻⁶ (eV/m₂) であり、2件のイベントでは 4.41×10⁻⁶ (eV/m₂) に改善され、太陽ニュートリノ実験の制限を上回る。