[論文レビュー] WHY TAU FIRST

Daniele Fargion|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2007

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、高エネルギーニュートリノ天文学が、ニュートリノ質量とフラバー混合、宇宙背景放射におけるGZKカットオフ、および加速されたタウレプトンの空中崩壊による空気シャワーの増幅という3つの主要な一致のおかげで、タウニュートリノ（ντ）を優先すべきだと主張している。これらの要因により、ντが誘発する空気シャワーは非常に検出可能となり、超高エネルギー宇宙線（UHECR）源のための特異的でノイズのない信号を提供する。この信号は、次世代のピエール・オーギュール観測所によって、今世紀内に観測される見込みである。

ABSTRACT

Electron neutrinoe has been the first neutral lepton to be foreseen and discovered last century. The un-ordered muon µ and its neutrino �µ arose later by cosmic rays. The taudiscover, the heaviest, the most unstable charged lepton, was found surprisingly on (1975). Its �� neutrino was hardly revealed just on (2000). So why High Energy Neutrino Astronomy should rise first via ��, the last, the most rare one? The reasons are based on a chain of three favorable coincidences found last decade: the neutrino masses and their flavor mixing, the UHECR opacity on Cosmic Black Body (GZK cut off on BBR), the amplified � air-shower decaying in flight. Indeed guaranteed UHE GZK ��, �� neutrinos, feed by muon mixing, while skimming the Earth might lead to boosted UHE �,�, mostly horizontal ones. These UHEdecay in flight are spread, amplified, noise free Air-Shower: a huge event for an unique particle. To be observed soon: within Auger sky, in present decade. Its discover may sign of the first tau appearance. 1

研究の動機と目的

• 超高エネルギーニュートリノ天文学において、最後に発見され、最も難解であるにもかかわらず、なぜタウニュートリノ（ντ）が最適な標的であるかを説明すること。
• 検出可能なντ誘発空気シャワーを可能にする3つの主要な物理的一致（ニュートリノ混合、GZKカットオフ、空中でのタウレプトン崩壊の増幅）を特定すること。
• 地球内でのντ反応に続く加速されたタウレプトンの空中崩壊が、特徴的で水平的かつ高多重性の空気シャワーを生成し、これが検出に最適であることを主張すること。
• 今世紀内に、おそらくピエール・オーギュール観測所によって、ντ誘発空気シャワーが観測されると予測すること。これは、タウニュートリノの直接検出をもたらす。

提案手法

• ミュオンニュートリノの振動を通じて、UHECRから高エネルギーντを生成するため、ニュートリノ質量とフラバー混合を利用する。
• 宇宙背景放射におけるGZKカットオフを活用し、遠方の源からの超高エネルギー（UHE）ντのフラックスを保証する。
• ντ反応によって生成される加速されたタウレプトンの空中崩壊をモデル化し、空気シャワーが大規模で水平的かつノイズのない連鎖反応に増幅されることを示す。
• GZK吸収を考慮した宇宙空間を通過するUHECRの伝搬をシミュレートし、パイオニ崩壊と振動を経てντが生成されることを記述する。
• ピエール・オーギュール観測所におけるντ誘発空気シャワーの検出可能性を分析し、その水平的かつ高多重性の特徴に焦点を当てる。
• 現在の検出器感度と予想されるντフラックスに基づき、観測の時期を予測し、今世紀内に検出が可能であると推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ、発見が遅く、フラックスも低いにもかかわらず、高エネルギーニュートリノ天文学がタウニュートリノを優先すべきなのか？
• RQ2 ニュートリノ質量とフラバー混合は、宇宙からの検出可能なUHE ντをどのように生成するのか？
• RQ3 GZKカットオフは、観測可能なUHE ντフラックスの形状にどのような役割を果たすのか？
• RQ4 加速されたタウレプトンの空中崩壊は、ντ誘発空気シャワーの検出可能性をどのように向上させるのか？
• RQ5 どの時期・どの場所で、最初のντ誘発空気シャワーが観測されると予想され、どのような特徴を示すのか？

主な発見

• ニュートリノ混合、GZKカットオフ、空中でのタウレプトン崩壊の組み合わせにより、UHE ντの検出を増幅する特異なチャネルが形成される。
• 宇宙からのUHE ντは、ミュオンニュートリノの振動を通じて必然的に生成され、検出可能なフラックスが保証される。
• 加速されたタウレプトンの空中崩壊によって生成される水平的かつ高多重性の空気シャワーは、広がっており、ノイズがなく、観測に最適である。
• その結果生じる空気シャワーは、標準的なシャワーと比較して著しく増幅されており、イベントの可視性が向上する。
• ピエール・オーギュール観測所は、今世紀内に最初のντ誘発空気シャワーを検出すると予想される。
• このような信号の観測は、タウニュートリノの直接検出をもたらし、その天体物理学的起源を確認するものとなる。