[논문 리뷰] Flavour specific neutrino self-interaction: $H_0$ tension and IceCube

Arindam Mazumdar, Subhendra Mohanty외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 27.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 H₀ 불일치와 아이스컵의 페브 neutrino 플럭스 강하 현상을 통합적으로 해결할 수 있는 flavor-specific neutrino self-interaction을 조사한다. 분석 결과, only tau-neutrino self-interactions in inverted hierarchy가 천체물리학적 제약(1-σ 수준)과 아이스컵 데이터 양쪽 모두와 일치하며, 나머지 flavor 조합은 천체물리학적 데이터에서 允가하는 것보다 더 강한 self-interaction를 요구하므로 ΛCDM를 초월한 새로운 물리학의 가능성은 제한된다.

ABSTRACT

Self-interaction in the active neutrinos is studied in the literature to alleviate the $H_0$ tension. Similar self-interaction can also explain the observed dips in the flux of the neutrinos coming from the distant astro-physical sources in IceCube detectors. In contrast to the flavour universal neutrino interaction considered for solving the $H_0$ tension, which is ruled out from particle physics experiments, we consider flavour specific neutrino interactions. We show that the values of self-interaction coupling constant and mediator mass required for explaining the IceCube dips are inconsistent with the strong neutrino self-interactions preferred by the combination of BAO, HST and Planck data. However, the required amount of self-interaction between tau neutrinos ($ν_τ$) in inverted hierarchy for explaining IceCube dips is consistent with the moderate self-interaction region of cosmological bounds at 1-$σ$ level. For the case of other interactions and hierarchies, the IceCube preferred amount of self-interaction is consistent with moderate self-interaction region of cosmological bounds at 2-$σ$ level only.

연구 동기 및 목표

• flavour-universal 커플링에 의한 제약을 피하면서 flavor-specific neutrino self-interaction을 도입하여 H₀ 불일치를 해결하고자 한다.
• 아이스컵의 PeV neutrino 플럭스 강하 현상을 설명하는 neutrino self-interaction 모델이 Planck, BAO, HST 데이터로부터 유도된 천체물리학적 제약과 호환되는지 테스트하고자 한다.
• 천체물리학적 제약과 천체물리적 관측을 동시에 만족하는 neutrino flavor 및 질량 계단 조합을 규명하고자 한다.
• MeV 스케일의 매개입자들이 ΛCDM를 초월한 단일 이론 프레임워크 내에서 H₀ 불일치와 아이스컵 이면 현상을 동시에 해결할 수 있는지 평가하고자 한다.

제안 방법

• 연구는 각 flavor i = e, μ, τ에 대해 $\mathcal{L} = G_{\rm eff} (\bar{\nu}_i \nu_i)(\bar{\nu}_i \nu_i) $ 형태의 flavor-specific 커플링을 가진 수정된 neutrino self-interaction 라그랑지안을 사용한다.
• 천체물리학적 제약은 Planck CMB, BAO, HST 데이터를 사용한 MCMC 분석을 통해 유도되며, $G_{\rm eff}$, $m_0$, $N_{\rm eff}$ 및 표준 천체물리학적 파rameter에 대한 사전 확률이 포함된다.
• 아이스컵 데이터 분석은 비대칭 오차를 모델링하기 위해 일반화된 우도 함수를 사용한다. 이는 400 TeV–1 PeV 범위에서 관측된 플럭스 강하 현상을 설명한다.
• 분석에는 공진 조건에서의 on-shell 생성 메커니즘을 포함한다: $\nu\nu \to \phi$ 일 때 $E_\nu = m_\phi^2 / (2m_\nu)$ 이며, 이는 neutrino 스펙트럼의 흡수 강하를 유도한다.
• 정상 및 역질서 neutrino 질량 계단에서 universal, $\nu_e$, $\nu_\mu$, $\nu_\tau$ self-interaction 모델을 비교한다.
• 통계적 유의성은 $\Lambda$CDM 모델과 self-interacting 모델 간의 $-\log$ (우도) 비교를 통해 평가된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 flavor-specific neutrino self-interaction는 입자물리학 제약을 피하면서 H₀ 불일치를 해결할 수 있는가?
• RQ2 아이스컵의 플럭스 강하 현상을 설명하기 위해 필요한 self-interaction 강도는 Planck, BAO, HST 데이터로부터 유도된 천체물리학적 제약과 호환되는가?
• RQ3 어느 neutrino flavor과 질량 계단 조합이 아이스컵 관측치와 천체물리학 데이터를 동시에 만족하는 self-interaction를 가능하게 하는가?
• RQ4 ντ self-interaction의 포함이 universal coupling과 비교해 천체물리학 데이터에 대한 맞춤 정도를 향상시키는가?
• RQ5 flavor-specific self-interaction 모델은 표준 $\Lambda$CDM 모델에 비해 통계적으로 유의미한가?

주요 결과

• 역질서에서의 $\nu_\tau$-$\nu_\tau$ self-interaction는 천체물리학 제약의 중간 강도 self-interaction 영역과 1-σ 수준에서 일치한다.
• 모든 다른 flavor 조합과 질량 계단에서, 아이스컵 강하 현상을 설명하기 위해 필요한 self-interaction 강도는 천체물리학 제약과 2-σ 수준에서만 일치한다.
• $\nu_\tau$-$\nu_\tau$ 상호작용 모델은 $-\log$ (우도) 값이 236.58을 기록하여 $\Lambda$CDM(794.84)보다 유의미하게 높은 데이터 적합도를 보이며, Planck, BAO, HST 데이터의 병합에 대한 개선된 적합도를 나타낸다.
• universal self-interaction 모델(플레이어-유니버설)은 역질서에서 $-\log$ (우도) 값이 263.51이지만, MeV 스케일의 매개입자 커플링으로 인해 입자물리학 제약에 의해 배제된다.
• Planck TT 및 TE 데이터(1200 ≤ l ≤ 2500)를 포함할 경우, $\log_{10}(G_{\rm eff} \, \text{MeV}^2)$는 강한 및 중간 self-interaction 영역에 피크를 가진 이중 첨두 분포를 보인다.
• 오직 $\nu_\tau$ self-interaction만 중간 self-interaction 영역에서 생존 가능하며, $\pi^+\to e^+\nu_e$, $K^+\to \mu^+\nu_\mu$, 또는 $Z/\tau$의 비가시성 붕괴로부터의 제약에 의해 배제되지 않는다.