[論文レビュー] The pros and cons of beyond standard model interpretations of ANITA events

L. Anchordoqui, Ignatios Antoniadis+12 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2019

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 12被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、アンティタで観測された2件の異常な500 PeV空気シャワー事象について、それらが南極の氷から大きな仰角で発生していることから、標準模型を逸脱する（BSM）説明を評価している。3つのモデルクラス——地球内に閉じ込められたBSM粒子、ニュートリノが誘発するBSM粒子、および宇宙論的起源の源——を検討した結果、一部のモデルはデータに適合可能であるが、IceCube や Auger による非観測結果から強い制約を受けており、妥当性を保つには極めて繊細な調整（fine-tuning）や非標準的物理学を要する。

ABSTRACT

The Antarctic Impulsive Transient Antenna (ANITA) experiment has observed two air shower events with energy $\sim 500~{ m PeV}$ emerging from the Earth with exit angles $\sim 30^\circ$ above the horizon. As was immediately noted by the ANITA Collaboration, these events (in principle) could originate in the atmospheric decay of an upgoing $τ$-lepton produced through a charged current interaction of a $ν_τ$ inside the Earth. However, the relatively steep arrival angles of these perplexing events create tension with the standard model (SM) neutrino-nucleon interaction cross section. Deepening the conundrum, the IceCube neutrino telescope and the Pierre Auger Observatory with substantially larger exposures to cosmic $ν_τ$'s in this energy range have not observed any events. This lack of observation implies that the messenger particle (MP) giving rise to ANITA events must produce an air shower event rate at least a factor of 40 larger than that produced by a flux of $τ$-neutrinos to avoid conflicts with the upper limits reported by the IceCube and the Pierre Auger collaborations. In addition, the sensitivity of ANITA to MP-induced events must be comparable to or larger than those of IceCube and Auger to avoid conflict with the non-observation of any signal at these facilities. Beyond SM interpretations of ANITA events can be classified according to whether the MPs: (i) live inside the Earth, (ii) originate in neutrino-nucleon collisions inside the Earth, (iii) come from cosmological distances. In this communication we investigate the positive and negative facets of these three classes of models.

研究の動機と目的

• ANITAが観測した、大気中を約30°の大きな脱出角で発生した2件の異常な500 PeV空気シャワー事象に対する、標準模型を逸脱する（BSM）説明の妥当性を評価すること。
• ANITAの観測事象と、IceCubeおよびピエール・アジェール観測所による同様の事象の非観測との間に生じる矛盾を調査すること。
• 3つのBSMモデルクラス——(i) 地球内に存在する粒子、(ii) ニュートリノ-核子衝突によって生成される粒子、(iii) 未知粒子の宇宙論的起源——を分類し、評価すること。
• 既存の実験的上限に抵触しないための、BSMモデルが要求する放射線強度の増幅と検出効率を特定すること。
• 微調整、コherenecyの喪失、および銀河中心からの信号との方向的不一致といった主な課題を特定すること。

提案手法

• BSMモデルを3つのカテゴリに分類：(i) 地球内に閉じ込められた長寿命粒子、(ii) ニュートリノ-核子衝突によって生成される粒子、(iii) 例えばステアノルミネーションニュートリノやSHDM崩壊のような宇宙論的起源の源。
• パラメータースキャンを用いて、脱出角αの関数としてスタウの生存確率および検出確率を評価し、入力パラメータはE = 5×10⁹ GeV、m = 800 GeV、cτ = 4 mとする。
• IceCubeおよびAugerの露出量からの制約を適用し、BSMの事象率がτニュートリノのフラックスよりも少なくとも40倍以上高いことが、上限に抵触しないために必要である。
• 波形および偏光角が、遷移放射や地下反射といった代替説明と整合するかを評価し、それらがデータと矛盾することを確認した。
• ステアノルミネーションニュートリノおよびSHDM崩壊モデルの妥当性を評価し、IceCubeの上限に達するためのフラックスと、極めて小さなフラックスを避けるための混合角を要件としている。
• 未知粒子が弱い力で相互作用する場合のアサカリ放射の役割を検討し、波形を説明できるが、非標準的相互作用が存在しない限り偏光を説明できないと指摘した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地球内に重力で閉じ込められ、長寿命なBSM粒子が、エネルギーと脱出角が類似したANITAの2件の事象を説明できるか？
• RQ2 IceCubeおよびAugerによる非観測結果が、標準的τニュートリノフラックスよりも高い事象率を予測するBSMモデルに課す制約は何か？
• RQ3 地下反射や遷移放射に基づく説明は、観測された偏光角およびパルス波形と整合するか？
• RQ4 ステアノルミネーションニュートリノやSHDM崩壊といった宇宙論的BSM源は、ANITA観測とIceCubeの上限に整合するフラックスを生成するか？
• RQ5 SHDM崩壊モデルの「決定的証拠」となる方向的シグナル（例えば銀河中心方向）は存在するか？また、ANITAの事象はそのようなパターンを示しているか？

主な発見

• E = 5×10⁹ GeV、m = 800 GeV、cτ = 4 m のスタウに対して、脱出角α ≈ 34°のANITA事象を検出する確率は、p_event ≈ 0.22% で最大値を示す。
• IceCubeおよびAugerの制約を回避するためには、BSMモデルがτニュートリノフラックスよりも少なくとも40倍以上高い事象率を予測しなければならない。
• SHDMがステアノルミネーションニュートリノに崩壊するモデルでは、m₄ ≳ 1 keV および混合角 sin²ϑ ≲ 0.01 である必要がある。これによりIceCubeのν₄フラックス上限に達する。
• ANITAに適合するパラメータを用いた場合、IceCubeでの予測事象率は観測値の約6倍に達する。これは、フラックスが抑制されない限り、矛盾を示している。
• 反射に基づく説明（例：地下反射や遷移放射）は、観測された偏光角およびパルス波形と整合せず、特に15:1のバンド幅比を持つ明確な30–80 MHzの同位相パルスに著しく矛盾する。
• ANITAの事象のいずれに対しても銀河中心方向を向いていないため、SHDM崩壊は源として成立しない。ただし、崩壊生成物が極めて非対称的である場合を除き、これは観測されていない。