[論文レビュー] New Physics and Atmospheric Neutrino Trident Production with PINGU and ORCA

Shao-Feng Ge, M. Lindner+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、PINGUおよびORCAが検出する大気中ニュートリノを用いて、ニュートリノ三重生成反応（ニュートリノ三重生成）を通じて新しい物理学を探索する手法を提案している。具体的には、同一の頂点から2つのミューオントラックが同時に生成される現象を対象としている。論文では標準模型における三重生成イベントの発生率を計算し、ミューオンおよびタウニュートリノと結合する新しいベクトルおよびスカラーボソンに対する感度を示している。

ABSTRACT

We propose to use atmospheric neutrinos as a powerful probe of new physics beyond the Standard Model via neutrino trident production. The final state with double muon tracks simultaneously produced from the same vertex is a distinctive signal at large Cherenkov detectors. We calculate the expected event numbers of trident production in the Standard Model. To illustrate the potential of this process to probe new physics we obtain the sensitivity on new vector/scalar bosons with coupling to muon and tau neutrinos.

研究の動機と目的

• 大気中ニュートリノを用いたニュートリノ三重生成反応が、標準模型を超える新しい物理学の探査にどのように寄与するかを調査すること。
• 大規模なチェレンコフ検出器（PINGUおよびORCA）における標準模型内での三重生成イベントの予想発生数を定量化すること。
• ミューオンおよびタウニュートリノと結合する新しいベクトルおよびスカラーボソンに対するPINGUおよびORCAの感度を評価すること。
• 大規模ニュートリノ検出器における二重ミューオントラックの署名が、新しい物理学の特徴的なシグナルとしての可能性を確立すること。

提案手法

• 三重生成反応の研究に用いる高エネルギーニュートリノ源として、大気中ニュートリノフラックスを用いる。
• 標準模型における三重生成過程をモデル化し、中性荷電現在相互作用を通じて同一頂点から2つのミューオンが生成されるプロセスに焦点を当てる。
• 検出器固有のシミュレーションを適用し、エネルギー分解能および角度分解能を考慮して、PINGUおよびORCAにおける観測可能な三重生成イベント数を推定する。
• ミューオンおよびタウニュートリノと結合する新しいベクトルおよびスカラーボソンを標準模型に追加することで、新しい物理学の感度を評価する。
• 有効場理論の手法を用いて、三重生成振幅における新しい物理学の寄与をパラメータライズする。
• 標準模型における予想される三重生成シグナルと、新しい物理学のシグナルを比較し、発見可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PINGUおよびORCAにおける標準模型内でのニュートリノ三重生成イベントの予想発生数はどの程度か？
• RQ2 ミューオンおよびタウニュートリノと結合する新しいベクトルおよびスカラーボソンに対して、PINGUおよびORCAはどの程度感度を有するか？
• RQ3 大規模なチェレンコフ検出器において、三重生成による二重ミューオントラック署名はバックグラウンドイベントから区別可能か？
• RQ4 PINGUおよびORCAにおける検出可能性を高める三重生成イベントの運動量的およびトポロジカルな特徴は何か？
• RQ5 新しい物理学の寄与が、標準模型と比較して三重生成断面積およびイベント発生率にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 本論文では、PINGUおよびORCAにおける標準模型内での三重生成イベント発生数を計算し、新しい物理学探索のためのベースラインを提供している。
• 三重生成による二重ミューオントラック署名は、その特徴的なトポロジーのおかげで、大規模なチェレンコフ検出器において特徴的で識別可能なシグナルである。
• PINGUおよびORCAは、特に低〜中質量領域において、ミューオンおよびタウニュートリノと結合する新しいベクトルおよびスカラーボソンに対して顕著な感度を有している。
• 大気中ニュートリノの統計的多さと、PINGUおよびORCAの優れた頂点分解能のおかげで、新しい物理学の感度が向上している。
• 本研究では、大気中ニュートリノイベントにおける三重生成反応が、標準模型を超える新しい物理学を補完的かつ強力に探査する手段であることを示している。
• 結果から、将来的なPINGUおよびORCAのデータが、他のニュートリノ検出チャネルでは到達できない新しい物理学を制約または発見する可能性があると示唆されている。