[論文レビュー] SuperGZK neutrinos

V. Berezinsky|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2005

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本稿は、超高エネルギー宇宙線（UHECR）が宇宙マイクロ波背景（CMB）光子と相互作用する際に生成される宇宙創生ニュートリノに加え、超重い暗黒物質やトポロジカルな欠陥といった代替源を含め、超GZKニュートリノ（E > 10²⁰ eV）の発生源とフラックスを調査する。進化モデルにおいて最大加速エネルギーが高く（10²³ eV）かつフラットな注入スペクトルを持つ場合、観測可能なフラックスが予測されるが、ミラーニュートリノは、電波放射観測によって制約を受けるが、最も高いフラックスを示す可能性がある。

ABSTRACT

The sources and fluxes of superGZK neutrinos, $E>10^{20}$ eV, are discussed. The fluxes of {\em cosmogenic neutrinos}, i.e. those produced by ultra-high energy cosmic rays (UHECR) interacting with CMB photons, are calculated in the models, which give the good fit to the observed flux of UHECR. The best fit given in no-evolutionary model with maximum acceleration energy $E_{ m max}=1 imes 10^{21}$ eV results in very low flux of superGZK neutrinos an order of magnitude lower than the observed flux of UHECR. The predicted neutrino flux becomes larger and observable by next generation detectors at energies $10^{20} - 10^{21}$ eV in the evolutionary models with $E_{ m max}=1 imes 10^{23}$ eV. The largest cosmogenic neutrino flux is given in models with very flat generation spectrum, e.g. $\propto E^{-2}$. The neutrino energies are naturally high in the models of {\em superheavy dark matter and topological defects}. Their fluxes can also be higher than those of cosmogenic neutrinos. The largest fluxes are given by {\em mirror neutrinos}, oscillating into ordinary neutrinos. Their fluxes obey some theoretical upper limit which is very weak, and in practice these fluxes are most efficiently limited now by observations of radio emission from neutrino-induced showers.

研究の動機と目的

• 超高エネルギー宇宙線が宇宙マイクロ波背景と相互作用することで生成される超GZKニュートリノ（E > 10²⁰ eV）のフラックスを評価すること。
• 観測されたUHECRフラックスを再現するモデルにおける宇宙創生ニュートリノ生成の妥当性を評価すること。
• 超重い暗黒物質やトポロジカル欠陥といった代替源としての超GZKニュートリノの可能性を検討すること。
• ミラーニュートリノからの最大フラックスを特定し、その観測的制約を評価すること。
• 予想されるニュートリノフラックスを次世代検出器の感度と現在の観測限界とで比較すること。

提案手法

• UHECRの伝播とCMB光子との相互作用をモデル化し、異なる注入スペクトルと進化シナリオを仮定して、宇宙創生ニュートリノフラックスを計算する。
• 最大加速エネルギー E_max = 1×10²¹ eV の非進化モデルを用いて、ニュートリノフラックスの予測を導出する。
• 最大加速エネルギー E_max = 1×10²³ eV の進化モデルに拡張し、高エネルギー領域でのニュートリノ生成を評価する。
• 超重い暗黒物質の崩壊およびトポロジカル欠陥の崩壊から生じるニュートリノフラックスを代替源として評価する。
• ミラーニュートリノが通常ニュートリノに振動する場合を想定し、理論的フラックス上限を導出する。
• ニュートリノ誘発シャワーに伴う電波放射の観測制約を用いて、ミラーニュートリノのフラックスを制限する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測されたUHECRフラックスを再現するモデルにおける、宇宙創生的超GZKニュートリノの予測フラックスは何か？
• RQ2 最大加速エネルギーが高い進化モデルでは、超GZKニュートリノの検出可能性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 超重い暗黒物質およびトポロジカル欠陥からの超GZKニュートリノの最大可能フラックスは何か？
• RQ4 ミラーニュートリノは超GZKニュートリノフラックスにどのように寄与するか？ また、そのフラックスに適用される制約は何か？
• RQ5 特に電波放射からの観測制約によって、現在ミラーニュートリノのフラックスがどのように制限されているか？

主な発見

• E_max = 1×10²¹ eV の非進化モデルでは、超GZKニュートリノフラックスが観測されたUHECRフラックスの1桁低い値に予測される。
• E_max = 1×10²³ eV の進化モデルでは、大幅に高いニュートリノフラックスが得られ、10²⁰–10²¹ eV のエネルギー範囲で次世代ニュートリノ検出器による検出が可能になる可能性がある。
• 非常にフラットな注入スペクトル（例：∝ E⁻²）を持つモデルでは、宇宙創生ニュートリノフラックスが最大になる。
• パラメータ領域によっては、超重い暗黒物質やトポロジカル欠陥からのニュートリノフラックスが、宇宙創生プロセスを上回る場合がある。
• ミラーニュートリノは、検討されたすべての源の中で最も高いフラックスを示すが、ニュートリノ誘発シャワーに伴う電波放射観測によってフラックスが制限されている。
• 理論的上限は弱いが、電波データからの観測制約が、現在のところ最も効果的な制約である。