[論文レビュー] The ANITA Anomalous Events as Signatures of a Beyond Standard Model Particle, and Supporting Observations from IceCube

D. B. Fox, Steinn Sigurðsson+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2018

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 30

ひとこと要約

この論文は、ANITAの異常なイベント—約0.6 EeVの上向きの宇宙線シャワーで、27°および35°の急な出射角を示すもの—が、標準模型を越える（BSM）粒子、具体的には超対称モデルにおける次に軽いストーオスレプトン（$\tilde{\tau}_R$）を示すものだと提案している。これらの粒子はニュートリノ-核子反応によって生成され、エネルギー損失を最小限に抑えながら地球を貫通し、高エネルギーのタウレプトンに崩壊することで、イベントの異常な幾何学的特徴が説明され、IceCubeの高エネルギートラックイベントからの支持的証拠も得られる。

ABSTRACT

The ANITA collaboration have reported observation of two anomalous events that appear to be $\\varepsilon_{\ m cr} \\approx 0.6$ EeV cosmic ray showers emerging from the Earth with exit angles of $27^\\circ$ and $35^\\circ$, respectively. While EeV-scale upgoing showers have been anticipated as a result of astrophysical tau neutrinos converting to tau leptons during Earth passage, the observed exit angles are much steeper than expected in Standard Model (SM) scenarios. Indeed, under conservative extrapolations of the SM interactions, there is no particle that can propagate through the Earth with probability $p > 10^{-6}$ at these energies and exit angles. We explore here whether "beyond the Standard Model" (BSM) particles are required to explain the ANITA events, if correctly interpreted, and conclude that they are. Seeking confirmation or refutation of the physical phenomenon of sub-EeV Earth-emergent cosmic rays in data from other facilities, we find support for the reality of the ANITA events, and three candidate analog events, among the Extremely High Energy Northern Track neutrinos of the IceCube Neutrino Observatory. Properties of the implied BSM particle are anticipated, at least in part, by those predicted for the "stau" slepton ($\ ilde{\ au}_R$) in some supersymmetric models of the fundamental interactions, wherein the stau manifests as the next-to-lowest mass supersymmetric partner particle.

研究の動機と目的

• 標準模型（SM）物理学では説明できない、約0.6 EeVの上向きの宇宙線シャワーで、27°および35°の急な出射角を示すANITAの異常なイベントを説明すること。
• これらのイベントが、標準模型を超える（BSM）粒子を必要とするかどうかを調査すること。これは、SMプロセスでは、これらのエネルギーと角度でこのようなシャワーを生成する確率が10⁻⁶を超えないためである。
• 特にIceCubeのような他の高エネルギーニュートリノおよび宇宙線観測所で、同様の現象の証拠を捜索すること。
• 超対称モデルにおける長寿命の右巻きストーオスレプトン（$\tilde{\tau}_R$）が、責任を負うBSM粒子としての理論的および現象論的意味を特定すること。
• 気球搭載型、地上型、宇宙機器を用いた施設を用いて、地球から発する宇宙線（SEECRs）の存在を確認または否定するための今後の観測戦略を提言すること。

提案手法

• ANITAが報告した異常なイベント（AAEs）を分析し、天頂角が117.4°および125.0°であり、それぞれ27°および35°の出射角に対応し、エネルギーは約0.6 EeVであることを確認する。
• 観測された電波パルスの極性と幾何学的特徴を標準SMの期待と比較し、非反転極性および地平線下の入射は、大気中で反射されたシャワーとは一致しないことを示す。
• SMニュートリノ-核子反応を評価し、これらのエネルギーと角度で地球を通過する可能性が10⁻⁶を超える既知の粒子が存在しないことを確認する。
• 長寿命の右巻きストーオスレプトン（$\tilde{\tau}_R$）を含むBSMメカニズムを提案し、UHECRニュートリノ-核子反応によって生成され、エネルギー損失を最小限に抑えながら地球を貫通することを想定する。
• IceCubeの北半球トラックサンプルにおいて、SEECR（地球から発する宇宙線）シグネチャに一致する3件の候補高エネルギートラックイベントを同定する。
• 超対称理論からの理論的モデルを用いて、$\tilde{\tau}_R$ の性質を予測し、寿命、質量範囲（0.5–1.0 TeV）、およびタウレプトンへの崩壊を含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ANITAの異常なイベントは、標準模型物理学で説明可能か、それとも標準模型を超える粒子が必須か？
• RQ2 急な出射角を示す上向きのシャワーを説明できる長寿命の右巻きストーオスレプトン（$\tilde{\tau}_R$）の予想される性質は何か？
• RQ3 IceCubeのような他の高エネルギーニュートリノ観測所で、同様のイベントの証拠は見つかっているか？
• RQ4 気球ミッションやkmスケールのニュートリノ検出器を含む今後の実験は、地球から発する宇宙線の検出および特徴の特定をどのように向上させられるか？
• RQ5 SEECRイベントが$\tilde{\tau}_R$ の崩壊によって生じることが確認された場合、超対称性およびダークマターにどのような意味があるか？

主な発見

• ANITAの異常なイベントは、非反転電波パルス極性および地平線下の入射を示し、反射された大気シャワーとは一致せず、直接的な上向きの源を必要とする。
• 標準模型物理学では、観測されたイベントを説明できない。なぜなら、約0.6 EeVおよび27°–35°の出射角で地球を通過する可能性が10⁻⁶を超える既知の粒子は存在しないからである。
• イベントは、UHECRニュートリノ-核子反応によって生成され、高エネルギーのタウレプトンに崩壊する長寿命の右巻きストーオスレプトン（$\tilde{\tau}_R$）によって最もよく説明される。
• IceCubeの北半球トラックサンプルに、SEECR現象と一致する性質を示す3件の候補イベントが存在し、ANITAイベントの独立的裏付けを提供する。
• ストーオスレプトンモデルは、質量範囲0.5–1.0 TeVおよび地球を貫通可能な十分な寿命を予測し、これが有効なダークマター候補であることを示唆する。
• ANITA-4、EUSO-SPB2、IceCube、KM3Net、JEM-EUSOからの今後の観測により、SEECR現象の確認と超対称モデルの検証が可能になる。