[論文レビュー] UHE neutrino astronomy and neutrino oscillations

V. Berezinsky|ArXiv.org|Jan 11, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 4被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、CMB光子とのUHECR相互作用から生じる宇宙創生ニュートリノおよびトポロジカルな欠陥や超重い暗黒物質といったトップダウン源を含む、超高エネルギー（UHE）ニュートリノ天文学を調査する。ニュートリノの振動が検出可能なフラックスを著しく変化させることを示しており、特に直接観測が困難な$ν_\tau$および$\bar{\nu}_e$が振動によって検出可能になる。また、鏡ニュートリノは振動によって通常のニュートリノに変換され、最高エネルギー領域のフラックスを支配することがあり、これは標準模型を超える新しい物理の重要な兆候である。

ABSTRACT

UHE neutrinos with $E>10^{17}$ eV can be produced by ultra-high energy cosmic rays (UHECR) interacting with CMB photons (cosmogenic neutrinos) and by top-down sources, such as topological defects (TD), superheavy dark matter (SHDM) and mirror matter. Cosmogenic neutrinos are reliably predicted and their fluxes can be numerically evaluated using the observed flux of UHECR. The lower limit for the flux is obtained for the case of pure proton composition of the observed UHECR. The rigorous upper limit for cosmogenic neutrino flux also exists. The maximum neutrino energy is determined by maximum energy of acceleration, which at least for the shock acceleration is expected not to exceed $10^{21} - 10^{22}$ eV. The top-down sources provide neutrino energies a few orders of magnitude higher, and this can be considered as a signature of these models. Oscillations play important role in UHE neutrino astronomy. At production of cosmogenic neutrinos $τ$-neutrinos are absent and $\barν_e$ neutrinos are suppressed. These species, important for detection, appear in the observed fluxes due to oscillation. Mirror neutrinos cannot be observed directly, but due to oscillations to ordinary neutrinos they can provide the largest neutrino flux at the highest energies.

研究の動機と目的

• 宇宙創生過程およびトポロジカル欠陥や超重い暗黒物質といったトップダウンメカニズムによって生成される超高エネルギー（UHE）ニュートリノの理論的フラックスを評価すること。
• ニュートリノ振動が、もともと検出が困難または抑制されているニュートリノフレーバー（特に$\nu_\tau$および$\bar{\nu}_e$）を検出可能なフレーバーに変換する役割を評価すること。
• IceCube、JEM-EUSO、電波／音響法といった現在および計画中の検出器を用いたUHEニュートリノの検出可能性を、UHECRの組成および源の進化に関する仮定の違いを考慮して評価すること。
• トポロジカル欠陥からのトップダウンモデルの主要な特徴を特定すること、特に地上加速器では達成できない$10^{20}$ eVを超える極めて高いニュートリノエネルギーが、新しい物理の特徴的な兆候となること。

提案手法

• 観測されたUHECRフラックスに基づく数値的評価を用い、プロトン中心の組成を下限として仮定し、GZKカットオフおよびディップ構造を考慮する。
• $p\gamma$反応モデルを適用して、CMB光子と衝突する陽子からのUHEニュートリノ生成を推定し、最大加速エネルギーに依存するエネルギー閾値を設定する。
• 振動長の推定値（$E \sim 10^{20}$ eVの場合に$\ell_{\rm osc} \sim 120$ pc）および重力的混合のシナリオを用いて、鏡ニュートリノが通常のニュートリノに変換される過程をモデル化する。
• 大気中でのフラーレンス検出（EUSOに類似）、シャワーに起因する電荷過剰による電波放射（アサカリアン効果）、氷中および月のレゴリスにおける音響法といった検出技術を評価する。
• トポロジカル欠陥からの超重い粒子の崩壊（GUTスケールまで）や鏡物質を含むトップダウン源の理論的モデルを検討し、フラックスが欠陥の種別および対称性に強く依存することを考慮する。
• 振動確率の式（例：$P_{\nu'_{\mu} \to \nu_e} = \frac{1}{8} \sin^2 2\theta_{12}$）を適用して、不活性な鏡ニュートリノが検出可能な通常のニュートリノに変換される割合を定量化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UHECRがCMB光子と相互作用する際に予想される宇宙創生ニュートリノフラックスはどの程度で、UHECRの組成および源の進化にどのように依存するか？
• RQ2 ニュートリノ振動がUHEニュートリノのフレーバー構成をどのように変化させ、特に初期に存在しないか抑制されている$\nu_\tau$および$\bar{\nu}_e$を検出可能にするか？
• RQ3 トポロジカル欠陥や超重い暗黒物質から生じる鏡ニュートリノが、通常のニュートリノに振動することで、最高エネルギー領域で検出可能なフラックスを提供できるか？
• RQ4 次世代のUHEニュートリノ検出器（JEM-EUSOや電波／音響アレイ）のエネルギー閾値および検出効率はどの程度か？
• RQ5 トポロジカル欠陥からのトップダウンモデルと宇宙創生モデルは、ニュートリノエネルギースペクトルおよび検出可能性の観点でどのように区別できるか？

主な発見

• プロトン中心のUHECRを仮定した場合、宇宙創生ニュートリノフラックスの下限は強く予測され、IceCubeでは$E < 10^{18}$ eVでわずかに検出可能であり、JEM-EUSOでは$E > 10^{19}$ eVで検出可能である。
• 宇宙創生ニュートリノの最大エネルギーは加速メカニズムによって制限され、衝撃加速では$E_{\rm max} \lesssim 3 \times 10^{20}$ eVが予想され、より高いエネルギーを得るには特異なメカニズムが必要である。
• 鏡ニュートリノは不活性であり直接検出不能であるが、通常のニュートリノに振動することで検出可能なフラックスを生成でき、全変換確率は$\sum_{\alpha} P_{\nu'_{\mu} \to \nu_{\alpha}} = \frac{1}{2}$に達する。
• トップダウンモデルはGUTスケール（$\sim 10^{15}$ GeV）に達するニュートリノを生成でき、これは地上加速器の能力を超えるため、新しい物理の特徴的な兆候となる。
• 電波および音響検出法は高いエネルギー閾値（$E \gtrsim 10^{19} - 10^{20}$ eV）を持つため、トップダウン源および高エネルギーニュートリノバーストの調査に適している。
• ニュートリノフラックスのカスケード上限は鏡ニュートリノに適用されないため、最高エネルギー領域のフラックスを支配する可能性があり、検出の主要な標的となる。