[論文レビュー] On the interpretation of IceCube cascade events in terms of the Glashow resonance

Atri Bhattacharya, Raj Gandhi+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2012

Radio Wave Propagation Studies被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、アイスカウブの1–10 PeV範囲の2つの説明のつかないキャスケード事象が、グラシャフ共鳴（$ar{ u}_e e \to W^- \to \text{ハドロン}$）に起因すると提案している。この現象は、背景のない特徴的な署名を持つ：$W^- \to \bar{\nu}_\mu \mu^-$ から生じる孤立したミューオン。本論文は、年間約0.34件のこのようなミューオンが予想されることを示しており、標準的な宇宙線生成ニュートリノフラックスでは、新しい物理が必要な場合にのみデータを説明できる。ニュートリノの崩壊やローレンツ不変性の破れは、$ \nu_\mu$/$\bar{\nu}_\mu$ を抑制しながら、$ \bar{\nu}_e$ フラックスを維持することができる。

ABSTRACT

The IceCube experiment (IC) has recently observed 2 cascade events with energies between 1 and 10 PeV. This energy combined with the fact that no muon-track events are observed may be interpreted as a cosmogenic $\bar ν_e$ interacting in IC via the Glashow resonance (GR) $\bar ν_e e o W^- o$ (hadrons or $\bar ν_e e$). We point out a unique, background-free signature of the GR, a single isolated muon unaccompanied by any shower activity from the interaction $\bar ν_e e o W^- o \bar ν_μμ^-$, and propose it as a test of this interpretation. We calculate the event numbers and find that a single such event is expected over about a three-year period in IC. We also show that, if event rates remain at their current levels then, even with the GR, standard cosmogenic fluxes cannot easily explain the observations. Moreover, if muon-tracks remain conspicuous by their absence, then new physics needs to be invoked. As example scenarios in conformity with the observations, we calculate event rates for neutrino decay and Lorentz-invariance violation.

研究の動機と目的

• アイスカウブの1–10 PeV範囲の2つの説明のつかないキャスケード事象が、宇宙線生成$ \bar{\nu}_e$ に関与するグラシャフ共鳴によって生じると解釈すること。
• 純粋でバックグラウンドのない特徴的な署名である、$W^- \to \bar{\nu}_\mu \mu^-$ から生じる孤立ミューオンを特定すること。
• ミューオン軌跡事象が観測されていないという事実を踏まえて、標準的な宇宙線生成ニュートリノフラックスが観測を説明できるかどうかを評価すること。
• ニュートリノの崩壊やローレンツ不変性の破れといった非標準的物理が、$ \nu_\mu$/$\bar{\nu}_\mu$ フラックスを抑制しながら $ \bar{\nu}_e$ フラックスを維持することができ、データを整合的に説明できるかを検討すること。

提案手法

• 6.3 PeV付近で、$ \bar{\nu}_e e \to W^-$ が約350倍に増幅されるグラシャフ共鳴の断面積増幅をモデル化する。
• アイスカウブにおける純粋なミューオン署名（$W^- \to \bar{\nu}_\mu \mu^-$）の予想されるイベントレートを計算し、3年間で年間約0.34件であると判明。
• 2つの観測キャスケード事象に一致させるために、標準的な宇宙線生成ニュートリノフラックス（例：ESSモデル）を約300倍にスケーリングする必要がある。
• ニュートリノの崩壊モデルを用い、質量順序が通常順序か逆順序かを比較して、$ \bar{\nu}_\mu$ フラックスの抑制を評価する。
• パラメータ $\alpha$ を持つローレンツ不変性の破れ（LV）ハミルトニアンを導入し、 oscillation 確率を変更して $ \nu_\mu$ フラックスを抑制する。
• アイスカウブの予想される感度（図1の赤線）と比較して、標準的および非標準的モデルにおける予測されるミューオン軌跡レートを比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的物理を用いずに、グラシャフ共鳴がアイスカウブの2つの1–10 PeVキャスケード事象を説明できるか？
• RQ2 アイスカウブにおける $W^- \to \bar{\nu}_\mu \mu^-$ から生じる孤立ミューオン事象の予想される発生レートは何か？ そして、これはグラシャフ共鳴の背景のないテストに適しているか？
• RQ3 標準的な宇宙線生成フラックスでは予想されるにもかかわらず、なぜPeVエネルギー領域でミューオン軌跡事象が観測されていないのか？
• RQ4 ニュートリノの崩壊やローレンツ不変性の破れは、$ \nu_\mu$/$\bar{\nu}_\mu$ フラックスを十分に抑制し、ミューオン軌跡の欠如を説明しながら $ \bar{\nu}_e$ フラックスを維持できるか？
• RQ5 標準的な宇宙線生成モデルがキャスケード事象を説明するために必要なフラックススケーリングの程度は何か？ そして、それは妥当な値か？

主な発見

• グラシャフ共鳴は、観測範囲と一致する約6.3 PeVの共鳴エネルギーを持つことから、アイスカウブの2つのキャスケード事象を説明する妥当な解釈を提供する。
• 純粋でバックグラウンドのない特徴的な署名である、$W^- \to \bar{\nu}_\mu \mu^-$ から生じる孤立ミューオンが、アイスカウブで年間約0.34件の割合で発生すると予想される。
• 標準的な宇宙線生成ニュートリノフラックスを2つのキャスケード事象を説明するために約300倍にスケーリングする必要があるが、これは追加の抑制機構がなければ非現実的である。
• 通常質量順序のニュートリノ崩壊は、$ \bar{\nu}_\mu$ フラックスを抑制し、$ \bar{\nu}_e$ が優勢になるのを可能にし、ミューオン軌跡の欠如を説明できる。
• パラメータ $\alpha = 10^{-29}$ GeV のローレンツ不変性の破れは、$ \nu_\mu$ フラックスを十分に抑制し、ミューオン軌跡事象を年間約0.18件にまで減少させ、アイスカウブの感度限界を回避する。
• このような非標準的物理を用いることで、観測されたキャスケード事象とミューオン軌跡の欠如を、一貫したフレームワーク内で同時に説明できる。