[論文レビュー] Probing high-energy interactions of atmospheric and astrophysical neutrinos

S. R. Klein|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2019

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、IceCube、KM3NeT、および将来の施設（IceCube-Gen2 や RNO など）といった大規模ニュートリノ観測所を用いて、大気的および天体的文脈における高エネルギーニュートリノ相互作用を調査する。これらの検出器は、加速器では到達できない 10^20 eV のエネルギー領域までニュートリノ断面積および不弾性を調べられ、標準模型物理学（低 Bjorken-x における）および標準模型を越える現象に対して、特異な感度を示すことが示された。

ABSTRACT

Astrophysical and atmospheric neutrinos are important probes of the powerful accelerators that produce cosmic-rays with EeV energies. Understanding these accelerators is a key goal of neutrino observatories, along with searches for neutrinos from supernovae, from dark matter annihilation, and other astrophysics topics. Here, we discuss how neutrino observatories like IceCube and future facilities like KM3NeT and IceCube-Gen2 can study the properties of high-energy (above 1 TeV) neutrino interactions. This is far higher than is accessible at man-made accelerators, where the highest energy neutrino beam reached only 500 GeV. In contrast, neutrino observatories have observed events with energies above 5 PeV - 10,000 times higher in energy - and future large observatories may probe neutrinos with energies up to $10^{20}$ eV. These data have implications for both Standard Model measurements, such as of low Bjorken$-x$ parton distributions and gluon shadowing, and also for searches for beyond Standard Model physics. This chapter will review the existing techniques and results, and discuss future prospects.

研究の動機と目的

• 大気的および天体的ニュートリノ源など自然な源からの高エネルギーニュートリノ相互作用（1 TeV 以上）を調査し、加速器ビームの 10,000 倍以上のエネルギーに達する。
• 極めて高いエネルギー領域におけるニュートリノ断面積および不弾性を測定するにあたり、検出器の粗いグレインおよびビーム情報の不足という課題に対処する。
• 電波検出技術（例：RNO、ARIA、GRAND）の可能性を評価し、10^17 eV 未満のエネルギー領域まで測定範囲を拡大し、新しい物理の測定を可能にする。
• 将来の観測所が低 Bjorken-x のパートン分布関数および陽子内のグルーオンシャドウイングにどれほど感度を持つのかを評価する。
• LHC が到達できないエネルギー領域におけるニュートリノ断面積および不弾性測定を通じて、標準模型を越える物理現象の検出可能性を検討する。

提案手法

• Chレンコフ放射による二次粒子の発光を用いて、IceCube や KM3NeT といったニュートリノ望遠鏡が高エネルギーニュートリノ相互作用を検出する。
• イベントのトポロジー（νμ／ν̄μ のCC相互作用からのトラック、νe／ν̄e のCCおよびNC相互作用からのカスケード）を分析し、ニュートリノエネルギーおよびフレーバーを推定する。
• 標的核へのエネルギー移動割合（不弾性分布）を用いて、相互作用ダイナミクスおよび新たな物理の兆候を調べる。
• Glashow共鳴（ν̄e e → W−）を 5 PeV 付近で活用し、反ニュートリノイベントの特定とフレーバー分離の向上を図る。
• 電波検出技術を用い、位相配列トリガーおよび大規模アンテナアレイ（例：RNO、ARIA、GRAND）を用いて、氷や岩内における粒子シャワーからのコherent電波放射を検出する。
• Landau-Pomeranchuk-Migdal（LPM）効果を活用し、電磁的サブシャワーとハドロンシャワーを区別することで、シャワー構造を用いた不弾性測定を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ニュートリノ望遠鏡は、加速器実験では利用できない 1 TeV 以上のエネルギー領域におけるニュートリノ断面積の測定をどのように拡張できるか？
• RQ2 高エネルギー領域における不弾性分布は、陽子内の低 Bjorken-x パートン分布関数およびグルーオンシャドウイングをどれほど効果的に探査できるか？
• RQ3 位相配列トリガーを用いた電波検出技術は、10^16 eV までのエネルギー分解能および感度閾値を達成でき、ニュートリノ断面積および不弾性を測定できるか？
• RQ4 IceCube-Gen2 や KM3NeT 2.0 といった将来の観測所は、LHC を超えるエネルギースケールにおける標準模型を越える物理現象にどれほど感度を持つのか？
• RQ5 LPM 効果は、大規模な電波アレイにおいて電磁的サブシャワーとハドロンシャワーを分離し、高エネルギー領域における不弾性測定を向上させることができるか？

主な発見

• IceCube などのニュートリノ観測所は、5 PeV を超えるエネルギーを持つイベントを検出しており、加速器実験と比較して測定可能なエネルギー範囲を 10,000 倍に拡大した。
• 5 PeV 付近のGlashow共鳴は、反ニュートリノイベントの特定と分離を向上させるための特異なツールを提供するが、現時点で観測されたのは1〜2件にとどまっている。
• 将来の電波検出アレイ（例：RNO や ARIA）は、宇宙からのニュートリノを約 10^16 eV まで観測することを目的としており、RNO では位相配列トリガーを用いて感度を向上させる計画である。
• LPM 効果は、大規模かつグレインの細かい電波アレイにおいて、電磁的サブシャワーとハドロンシャワーを分離可能にし、最高エネルギー領域における不弾性測定への道筋を提供する可能性がある。
• IceCube-Gen2 および KM3NeT 2.0 は、少なくとも 1 PeV までの不弾性測定を拡張し、中程度のスケールの新しい物理の検証を可能にする見込みである。
• 将来の 300,000 アンテナを有するアレイ（例：GRAND）は、十分な統計的精度（約 20% の精度）を達成し、10^16 GeV 以上のスケールで LHC を超える物理を探査可能となる。