[論文レビュー] On ANITA's sensitivity to long-lived, charged massive particles

A. Connolly, P. Allison+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2018

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 21被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、ANITA実験が、地球を通過した後、崩壊することで生じる広大な大気シャワーを介して、長寿命で電荷を帯びた大質量粒子（CHAMPs）、例えば超対称性のステウであるものも検出可能であると提唱している。シミュレーションの結果、ANITAは10^18.5 eVのニュートリノエネルギーにおいて、約1 TeVの質量と10 nsの寿命を有するステウのパラメータを制約可能であり、LHCの探査範囲を超える物理学を探索可能である。

ABSTRACT

We propose that the Antarctic Impulsive Transient Antenna (ANITA) can serve as a detector for long-lived, charged particles, through its measurement of extensive air showers from secondary leptons. To test this on an example model, we simulate the production of staus inside the earth from interactions between ultra-high energy neutrinos and nuclei. We propose that results of ANITA searches for upgoing air showers can be interpreted in terms of constraints on long-lived, charged massive particles (CHAMPs) and consider a supersymmetric partner of the tau lepton, the stau, as an example of such a particle. Exploring the parameter space in stau mass and lifetimes, we find that the stau properties that lead to an observable signal in ANITA are highly energy dependent. At $10^{18.5}$ eV, we find that the best constraints on the product of the neutrino flux and the stau production cross section would be placed near $m_{ ildeτ}=$1 TeV and $τ_{ ildeτ}=$10 ns. Thus ANITA could be sensitive to new physics in a region of parameter space that is unconstrained by experiments at the Large Hadron Collider.

研究の動機と目的

• ANITAが主たる目的である超高エネルギー（UHE）ニュートリノ望遠鏡としての役割に加え、長寿命で荷電を帯びた大質量粒子（CHAMPs）の検出器としての可能性を検討すること。
• 地球内で超高エネルギーのニュートリノと核子の衝突によって生成されたCHAMPsが、ANITAが観測可能な広大な大気シャワー（EAS）を生成できるかどうかを調査すること。
• 特にLHCが探査できないパラメータ領域において、さまざまなステウ質量および寿命の下でのANITAのCHAMPsに対する感度を定量化すること。
• CHAMPs由来の大気シャワーが、ANITAが報告した上向き方向のイベント、特に急角度で入射するものと一致するかどうかを評価すること。
• ANITAの特異な観測幾何学的・運動論的利点が、高エネルギーで長寿命の粒子を検出する上でどのように寄与するかを評価すること。

提案手法

• 10^18.5 eVおよび10^19 eVのエネルギーで、超高エネルギーのニュートリノと核子の衝突によるステウ生成をシミュレートする。
• 経路長に依存する微分崩壊確率dP_decay/dxを用いて、ステウの地球内をのり抜ける過程におけるエネルギー損失およびローレンツ因子の低下をモデル化する。
• 崩壊位置とエネルギー損失に基づき、ANITAの検出閾値を超える広大な大気シャワー（EAS）が生成される確率を計算する。
• EASからの水平偏光電波パルスに対するANITAの既知の感度を用いて、CHAMP崩壊に起因する上向きシャワーの検出可能性を推定する。
• 異なる入射角（例：6.5° 対 35°）における信号確率を比較し、天球全体における角度バイアスおよび検出可能性を評価する。
• 薄い空気中の大気密度およびシャワー発達を考慮した、大気シャワーからの電波放射の幾何学的・運動論的モデルを適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ANITAは、地球を通過した後、その崩壊によって生じる二次的大気シャワーを介して、長寿命で荷電を帯びた大質量粒子（CHAMPs）such as the stauを検出可能か？
• RQ2 UHEニュートリノフラックスおよび断面積制約を考慮した場合、ANITAによるステウ検出の最適パラメータ領域（質量および寿命）は何か？
• RQ3 CHAMP由来の大気シャワー機構は、より急角度のイベントの検出を有利にするか。これはANITAが報告した上向きの急角度イベントを説明する要因となり得るか？
• RQ4 ANITAのCHAMPsに対する感度は、高質量で長寿命の超対称性粒子を探査する上で、LHCのそれと比べてどの程度優れているか？
• RQ5 地球の幾何学的形状および大気密度プロファイルは、CHAMP由来シャワーの検出可能性をどの程度強化または抑制するか？

主な発見

• ANITAは、地球を通過した後、その崩壊によって生じる広大な大気シャワーを介してCHAMPs（例えばステウ）を検出可能であり、標準的なニュートリノ探索を超える新たな検出チャネルを提供する。
• ニュートリノエネルギーが10^18.5 eVの場合、ANITAの検出感度が最大になる領域は、ステウ質量が約1 TeV、固有寿命が10 ns付近に位置し、ニュートリノフラックスとステウ生成断面積の積が最もよく制約される。
• CHAMP由来シャワーの検出確率はエネルギーに強く依存しており、ニュートリノエネルギーが高くなるほど検出可能性が著しく向上する。
• 微分崩壊確率は、ローレンツ因子の低下に伴い、ステウの経路の終盤にピークを示し、上部クールストラクチャーで大気シャワーが生成されやすい状態になる。
• 浅角度イベントに幾何学的偏りがあるものの、CHAMP機構は依然として角度分布をより急角度方向にずらす可能性を有するが、追加の天体物理学的調整がなければ、ANITAが報告した急角度イベントを完全に説明するには十分でない。
• ANITAのCHAMPsに対する感度は、現在のLHC探索がカバーしないパラメータ領域（特に高質量で長寿命のステウ）にまで及び、新物理の補完的プローブとしての役割を果たす。