[論文レビュー] Possible detection of relic neutrinos and their mass

Andreas Ringwald|ArXiv.org|Nov 9, 2001

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、超高エネルギー宇宙線ニュートリノが残りニュートリノと共鳴的に消失してZボソンを生成するZバースト機構を通じて、間接的に残りニュートリノを検出する手法を提案している。生成されたZボソンはプロトンに崩壊し、そのエネルギースペクトルを観測された宇宙線と比較する。解析の結果、銀河ハロー状況ではニュートリノ質量の最良適合値が $ m_\nu = 2.75^{+1.28}_{-0.97} $ eV、銀河間状況では $ 0.26^{+0.20}_{-0.14} $ eVとなり、今後の実験的・天体的ニュートリノ検出に影響を与える。

ABSTRACT

Recently the possibility was widely discussed that a large fraction of the highest energy cosmic rays may be decay products of Z bosons which were produced in the resonant annihilation of ultrahigh energy cosmic neutrinos on cosmological relic neutrinos. If one takes this so-called Z-burst scenario seriously, one may infer the mass of the heaviest relic neutrino as well as the necessary ultrahigh energy cosmic neutrino flux from a comparison of the predicted Z-burst spectrum with the observed cosmic ray spectrum.

研究の動機と目的

• 超高エネルギー宇宙線（UHECR）の生成メカニズムとしてのZバースト機構の妥当性を、超高エネルギー宇宙ニュートリノと残りニュートリノの共鳴消失反応によって検証すること。
• 予測されたZバーストプロトンスペクトルと観測されたUHECRスペクトルを比較することで、最も重い残りニュートリノの質量を推定すること。
• 観測された宇宙線データと整合するための必要な超高エネルギー宇宙ニュートリノフラックスを特定すること。
• ニュートリノ過密度および源からの光子の脱出可能性を含む、宇宙論的・天体的制約のもとでZバーストモデルの妥当性を評価すること。

提案手法

• 超高エネルギー宇宙ニュートリノフラックス、残りニュートリノの数密度、Z生成断面積、ハドロンへの分岐比の畳み込みを用いてZバーストプロトンフラックスをモデル化する。
• 衝突実験データを用いて、Z崩壊から生じる陽子の運動量分布を $ \mathcal{Q}_{p+n}(E_p) $ としてパラメータライズする。
• 宇宙背景放射とのパイオンおよび $ e^+e^- $ 対生成によるエネルギー損失と宇宙論的赤方偏移を考慮した、源から地球までの陽子伝搬を考慮する。
• 最大尤度解析を用いて予測されたZバーストスペクトルと観測されたUHECRスペクトルを比較し、ニュートリノ質量およびフラックスの信頼区間を抽出する。
• バックグラウンドプロトンのハローおよび銀河間状況を両方考慮し、局所的残りニュートリノ過密度の影響を検討する。
• 理論的上限と今後の実験での検出可能性を考慮して、必要なUHE宇宙ニュートリノフラックスを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Zバースト機構を通じて観測された超高エネルギー宇宙線スペクトルと整合する最も重い残りニュートリノの質量は何か？
• RQ2 Zバースト状況下で観測されたUHECRスペクトルを再現するために必要な超高エネルギー宇宙ニュートリノフラックスはどの程度か？
• RQ3 局所的残りニュートリノ過密度の有無が予測されるZバーストプロトンスペクトルおよび観測との整合性に与える影響は何か？
• RQ4 必要なUHE宇宙ニュートリノフラックスは、特に拡散ガンマ線背景からの制約と整合することができるか？
• RQ5 得られたニュートリノ質量は、今後の実験的実験（$ \beta $ 衰変および無ニュートリノ双ベータ崩壊）にどのような意味を持つのか？

主な発見

• ハロー状況では、最も重い残りニュートリノの最良適合質量が $ m_\nu = 2.75^{+1.28}_{-0.97} $ eVであり、95%信頼区間の下限は0.97 eVである。
• 銀河間状況では、最良適合質量が $ 0.26^{+0.20}_{-0.14} $ eVであり、95%信頼区間の下限は0.06 eVである。
• 導出されたニュートリノ質量は、大気ニュートリノ振動データが示唆するように、階層的ニュートリノ質量構造と整合する。
• 必要な超高エネルギー宇宙ニュートリノフラックスは、現在の観測上限と整合しており、今後の実験で検出可能である可能性がある。
• モデルは、密度の高い環境やトップダウン生成メカニズムによって、ガンマ線で「見えない」超高エネルギーニュートリノ源を必要としている。
• 結果は、CMBRデータから得られる $ \sum m_{\nu_i} \leq 4.4 $ eV の上限と整合しており、今後の感度が約0.3 eVまで達する可能性がある。