[論文レビュー] Test of Lorentz Violation with Astrophysical Neutrino Flavor in IceCube

T. Katori, C. Argüelles+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2019

Noncommutative and Quantum Gravity Theories被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、アイスカウブ観測所のニュートリノのフレーバー組成データを用いて、宇宙からのニュートリノにおけるローレンツ対称性の破れを検証する。標準模型拡張（SME）における次元6の有効オペレーターに起因する $\nu_e : \nu_\mu : \nu_\tau$ 組成比のずれを分析することで、プランクスケールの物理学への感度を示し、高エネルギーニュートリノ干渉計測を用いた量子重力効果の発見可能性を示している。

ABSTRACT

Astrophysical high-energy neutrinos observed by IceCube are sensitive to small effects in a vacuum such as those motivated from quantum gravity theories. Here, we discuss the potential sensitivity of Lorentz violation from the diffuse astrophysical neutrino data in IceCube. The estimated sensitivity reaches the Planck scale physics motivated region, providing IceCube with real discovery potential of Lorentz violation.

研究の動機と目的

• アイスカウブの観測データを用いて、高エネルギー宇宙ニュートリノにおけるローレンツ対称性の破れをフレーバー組成比から検証すること。
• 拡張された標準模型における新しい物理、特に量子重力に由来するローレンツ対称性の破れに対する、拡散的宇宙ニュートリノ観測の感度を評価すること。
• アイスカウブが、ローレンツ対称性を破るオペレーターに対する標準模型拡張（SME）の非ゼロ係数を検出できるかどうかを特定すること。
• ニュートリノフレーバー比が、量子重力に起因する真空効果をどのように探査できるかを評価すること。

提案手法

• 観測された宇宙ニュートリノのフレーバー比 $\nu_e : \nu_\mu : \nu_\tau$ を表すために、フレーバー・トライアングルの三元図を用いる。
• ニュートリノの標準模型（νSM）におけるニュートリノ振動パラメータのグローバルフィット結果を用い、生成から検出までのフレーバーの進化を予測する。
• アイソトロピックな次元6のSME係数を用いてローレンツ対称性の破れをモデル化し、特に $\nu_\mu - \nu_\tau$ の混合に注目する。
• 宇宙ニュートリノのエネルギー範囲 [60 TeV, 10 PeV] において、パワー則スペクトル $\sim E^{-2}$ を仮定する。
• $\nu_e$ 主導、$\nu_\mu$ 主導、およびパイオニドレッドの生成シナリオを想定し、それらの予測フレーバー比をアイスカウブの68%および95%信頼領域と比較する。
• SME係数スケール $\accentset{\circ}{c}^{(6)}$ を $10^{-52}$ GeV$^{-2}$ から $10^{-42}$ GeV$^{-2}$ まで変化させることで、観測可能なずれを特定する感度を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アイスカウブは、フレーバー組成のずれを用いて、宇宙ニュートリノにおけるローレンツ対称性の破れを検出できるか？
• RQ2 拡散的宇宙ニュートリノ観測は、SMEにおける次元5、6、7のローレンツ対称性を破るオペレーターに対して、どの程度の感度を有するか？
• RQ3 ニュートリノフレーバー比は、特にプランクスケールに近いローレンツ対称性破れのスケールをどの程度まで制限できるか？
• RQ4 異なる宇宙ニュートリノ生成メカニズムが、ローレンツ対称性破れの検出可能性に与える影響はどの程度か？

主な発見

• 解析の結果、アイスカウブの宇宙ニュートリノのフレーバー組成データは、次元5および次元6のオペレーターに対して、プランクスケールにまで達する感度でローレンツ対称性の破れを探査可能であることが示された。
• 理論的感度は、図示された比較図から、次元5、6、7のオペレーターに関して、既知のすべてのセクターを上回っていることが明らかになった。
• 次元6のアイソトロピックなSME係数に対しては、$\accentset{\circ}{c}^{(6)} \gtrsim 10^{-48}$ GeV$^{-2}$ のとき、標準模型のフレーバー比からの観測可能なずれが生じる。この値は生成シナリオに依存する。
• 生成時に高い $\nu_e$ 分数を有する場合、ローレンツ対称性破れに起因する $\nu_\mu - \nu_\tau$ 混合に対する感度が向上し、非ゼロのSME係数の発見可能性が高まる。
• 現在のアイスカウブのデータの信頼領域（68%および95%）は、標準模型の予測範囲を完全にカバーしており、生成メカニズムを区別するためには、さらなる精度向上が必要であることが示された。
• この形式的枠組みは、ローレンツ対称性破れ以外の新しい物理、例えばCPT対称性の破れや非標準的相互作用に対しても一般に適用可能である。