[論文レビュー] Probing neutrino mixing angles with ultrahigh energy neutrino telescopes

Pijushpani Bhattacharjee, Nayantara Gupta|ArXiv.org|Jan 20, 2005

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 13

ひとこと要約

この論文は、ultrahigh-energy neutrino telescopeを用いて、約6.3 PeVにおけるGlashow共鳴チャンネル（$\bar{\nu}_e e^- \to W^- \to$ 何でもよい）を用いて、特に$\theta_{12}$を含むニュートリノ混合角を調べることを提案している。遠方の天体的源からの$\bar{\nu}_e$イベントの検出により、$\theta_{12}$の独立した測定とニュートリノ生成メカニズムの制約が可能となり、ポイントソースの方向および時間的同期化により背景に対する信号比が向上する。

ABSTRACT

We point out that detecting $ uebar$'s from distant astrophysical sources with the up-coming and future neutrino telescopes using the Glashow resonance channel $ uebar e^{-} o W^{-} o$ anything, which occurs over a small energy window around the $ uebar$ energy of $\sim6.3\pev$, offers a new way of measuring or setting limits on neutrino mixing angles, in particular the angle $θ_{12}$, thereby providing an independent experimental probe of neutrino mixing angles. We also discuss how this exercise may throw light on the nature of the neutrino production mechanism in individual astrophysical sources.

研究の動機と目的

• ultrahigh-energyニュートリノ望遠鏡を用いて、特に$\theta_{12}$を測定または制約するための新しい手法を提案すること。
• 6.3 PeVにおけるGlashow共鳴チャンネルを通じた$\bar{\nu}_e$イベントの検出可能性を高エネルギー領域におけるニュートリノ振動パラメータのプローブとして探求すること。
• 観測された$\bar{\nu}_e$イベント率を、源における$pp$および$p\gamma$起源ニュートリノの割合$x$に関連づけることにより、天体的ニュートリノ生成メカニズムの理解を深めること。
• 将来のニュートリノ望遠鏡におけるGlashow共鳴イベントの検出可能性を、信号効率、バックグラウンド除去、および検出器感度を考慮して評価すること。

提案手法

• W^−ボソンの質量に起因し、約6.3 PeVの明確に定義されたエネルギーで発生するGlashow共鳴過程$\bar{\nu}_e e^- \to W^- \to$ ハドロンを用いる。
• 天体的源からの高エネルギーニュートリノのフレーバー組成を、パラメータ$x$（$pp$起源ニュートリノの割合）で表される$p\gamma$および$pp$過程の混合としてモデル化する。
• $\theta_{12}$、$x$、およびニュートリノ振動確率に依存する、$\bar{\nu}_e$Glashow共鳴イベントと総$\bar{\nu}_\mu$チャージド・カレントイベントの比$R$を導出する。
• 既知の$W$の分岐比と断面積を用いて、同じエネルギー窓内での$\nu_e$および$\bar{\nu}_e$チャージド・カレント相互作用に起因するバックグラウンドを推定し、信号検出効率（約70％）を推定する。
• ペブトンエネルギー帯域における地球の吸収効果が、$\bar{\nu}_e$の検出を下降方向および水平方向の軌道に限ることを考慮する。
• 高エネルギーガンマ線源（例：GRB）との方向および時間的一致を用いることで、信号対バックグラウンド比を向上させるとともに、$x$の独立した制約を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 6.3 PeVにおけるGlashow共鳴チャンネルを用いて、低エネルギー実験とは独立してニュートリノ混合角$\theta_{12}$を測定できるか？
• RQ2 源における$pp$対$p\gamma$割合$x$に依存する、Glashow共鳴$\bar{\nu}_e$イベントと$\bar{\nu}_\mu$チャージド・カレントイベントの比は、$\theta_{12}$にどのように依存するか？
• RQ3 $\bar{\nu}_e$Glashowイベントの検出が、AGN や GRB のような天体的源におけるニュートリノ生成メカニズムをどの程度まで制約できるか？
• RQ4 将来のニュートリノ望遠鏡におけるGlashow共鳴イベントの検出における期待される信号対バックグラウンド比は何か？また、検出器サイズと源の放射束にどのように依存するか？

主な発見

• Glashow共鳴$\bar{\nu}_e$イベントと$\bar{\nu}_\mu$チャージド・カレントイベントの比$R$は、$\theta_{12}$が大きくなるに従い増加するため、$R$を用いた$\theta_{12}$の測定が可能になる。
• 独立観測による$pp$起源割合$x$の上界（例：$\lesssim 10\%$）が与えられた場合、測定された$R$から$\theta_{12}$の下限が得られる。
• 固定された$\theta_{12}$値と測定された$R$を組み合わせることで、$pp$起源割合$x$が推定可能となり、源のニュートリノ生成メカニズムに関する知見が得られる。
• Glashowイベントの信号対バックグラウンド比は、$R \times 0.7$にほぼ等しくなる。これは$W$ボソンのハドロン分岐比と、$\nu_e$および$\bar{\nu}_e$の断面積が類似していることに起因する。
• 地球の吸収のため、検出は下降方向および水平方向の$\bar{\nu}_e$に限られるが、PeVエネルギー帯のアトモスフィア的ニュートリノバックグラウンドは無視できる。
• 時間的および方向的相関が高エネルギーガンマ線放出と一致する近距離で強力なGRBなどのポイントソースが、背景抑制を可能にするため、検出の最良の機会を提供する。