[논문 리뷰] High-energy cosmic neutrinos as a probe of the vector mediator scenario in light of the muon $g-2$ anomaly and Hubble tension

Jose Carpio, Kohta Murase외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 30.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 뮤온 g-2 비정상성과 허블 장애를 통합적으로 해결할 수 있는 게이지화된 $L_\mu - L_\tau$ 모델을 조사하며, 아이스커크에서 검출된 고에너지 우주 중성자율이 비밀 중성자 상호작용을 통해 이 시나리오를 탐사할 수 있음을 보여준다. 분석 결과, 매개체 질량 $m_{Z'} \sim 10$ MeV 및 결합 상수 $g_{\mu\tau} \sim 0.1$ 에 해당하는 선호 영역이 확인되었으며, 이는 둘 다를 설명하는 데 필요한 매개체 영역과 겹친다. 또한 아이스커크-제너레이션2(IceCube-Gen2)가 이 모델을 시험할 수 있고, 총 중성자질량을 $0.06~{\rm eV} \lesssim \Sigma m_\nu \lesssim 0.3~{\rm eV}$ 수준으로 제약할 수 있음을 예측한다.

ABSTRACT

In light of the recent Muon $g-2$ experiment data from Fermilab, we investigate the implications of a gauged $L_μ - L_τ$ model for high energy neutrino telescopes. It has been suggested that a new gauge boson at the MeV scale can both account for the Muon $g-2$ data and alleviate the tension in the Hubble parameter measurements. It also strikes signals at IceCube from the predicted resonance scattering between high-energy neutrinos and the cosmic neutrino background. We revisit this model based on the latest IceCube shower data, and perform a four-parameter fit to find a preferred region. We do not find evidence for secret interactions. The best-fit points of $m_{Z'}$ and $g_{μτ}$ are $\sim10$~MeV and $\sim0.1$, respectively, depending on assumptions regarding the absolute neutrino masses, and the secret interaction parameter space allowed by the observed IceCube data overlaps with the regions of the parameter space that can explain the muon $g-2$ anomaly and Hubble tension as well. We demonstrate that future neutrino telescopes such as IceCube-Gen2 can probe this unique parameter space, and point out that successful measurements would infer the neutrino mass with $0.06~{ m eV}\lesssim Σm_ν\lesssim 0.3~{ m eV}$.

연구 동기 및 목표

• 게이지화된 $L_\mu - L_\tau$ 모델이 뮤온 $g-2$ 비정상성과 허블 장애를 설명하는 데 쓰인 바, 이 모델이 고에너지 우주 중성자율 데이터로 탐지될 수 있는지 테스트하는 것.
• 현재 아이스커크 쇼워 데이터가 메브 범위의 $Z'$ 보손에 의해 매개되는 비밀 중성자 상호작용에 대해 어떤 민감도를 가지는지 평가하는 것.
• 아이스커크 데이터, 뮤온 $g-2$ 결과, 허블 파라미터 제약 조건을 조합하여 절대 중성자질 스케일에 대한 비트리비얼한 제약 조건을 도출할 수 있는지 확인하는 것.
• 특히 아이스커크-제너레이션2와 같은 향후 중성자율 천체망원경이 $g-2$ 및 허블 장애 비정상성에 의해 선호되는 매개변수 영역을 얼마나 탐지할 수 있는지 예측하는 것.

제안 방법

• 6년 치 아이스커크 쇼워 데이터를 사용하여 $m_{Z'}$, $g_{\mu\tau}$, 중성자질 매개변수를 제약하기 위한 사파rameter fitting을 수행한다.
• 고에너지 우주 중성자율과 간성 중성자율배경 사이의 공명 산산이 $Z'$-매개 비밀 상호작용을 통해 모델링된다.
• 우도 분석을 적용하여 $Z'$ 모델을 영가설과 비교하며, 상호작용을 나타내는 스펙트럼의 곡절(드롭)을 주의 깊이 분석한다.
• 에너지 흡수 비효율성 및 대기 배경과 같은 체계적 영향을 평가하며, 이들이 곡절 서명 탐지에 미치는 영향을 중심으로 분석한다.
• 캐스케이드 효과와 업스캐터링의 역할을 비캐스케이드 시뮬레이션과 비교하여 선호 영역의 탄력성을 검증한다.
• 아이스커크-제너레이션2의 향후 민감도 예측을 수행하며, 곡절 서명을 탐지하고 선호 매개변수 영역을 확인할 수 있다고 가정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 아이스커크에서의 고에너지 우주 중성자율 데이터를 사용하여, 뮤온 $g-2$ 비정상성과 허블 장애를 설명하는 데 쓰이는 $L_\mu - L_\tau$ 모델을 시험할 수 있는가?
• RQ2 현재 아이스커크 쇼워 데이터로 제약된 $m_{Z'}$ 및 $g_{\mu\tau}$의 선호 매개변수 영역은 무엇인가?
• RQ3 비밀 중성자 상호작용에 대해 允가된 매개변수 영역이 뮤온 $g-2$ 비정상성과 허블 장애를 설명하는 데 필요한 영역과 어느 정도 겹치는가?
• RQ4 향후 중성자율 천체망원경, 특히 아이스커크-제너레이션2가 선호 매개변수 영역을 탐지하고 $m_{Z'} \sim 10$ MeV 및 $g_{\mu\tau} \sim 0.1$ 인 $Z'$ 보손의 존재를 확인할 수 있는가?
• RQ5 아이스커크, 뮤온 $g-2$, 허블 파라미터 측정치의 조합으로부터 총 중성자질량 $\Sigma m_\nu$에 대해 어떤 제약 조건을 도출할 수 있는가?

주요 결과

• 현재 아이스커크 6년 치 쇼워 데이터는 비밀 상호작용에 대한 유의미한 증거를 보이지 않지만, 절대 중성자질에 대한 가정에 따라 최적의 피팅 매개변수는 $m_{Z'} \sim 10$ MeV 및 $g_{\mu\tau} \sim 0.1$ 로 나타난다.
• 아이스커크 데이터로 허용된 매개변수 영역은 뮤온 $g-2$ 비정상성과 허블 장애를 완화하는 데 필요한 영역과 겹치며, 일관되고 검증 가능한 모델임을 시사한다.
• 향후 아이스커크-제너레이션2는 선호 매개변수 영역을 탐지할 수 있으며, $Z'$-매개 중성자 상호작용에 의해 유도된 곡절 서명에 민감할 것으로 예측된다.
• 만약 확인된다면, 이 모델은 총 중성자질량을 $0.06~{\rm eV} \lesssim \Sigma m_\nu \lesssim 0.3~{\rm eV}$ 수준으로 제약할 수 있으며, 천체물리학적 및 실험실 측정치와의 핵심 교차 확인이 가능하다.
• 분석 결과, 중성자율 에너지 스펙트럼의 곡절 서명은 에너지 흡수 비효율성 및 대기 배경과 같은 체계적 영향에 대해 강건한 것으로 나타났다. 다만 캐스케이드 효과는 신호를 최대 2배까지 감소시킬 수 있다.
• 이 연구는 다중메신저 관측, 특히 비표준 물리학적 중성자율 에코(비밀 산산이 되는 산란에서 유래)가 천체물리적 소스 불확실성에 영향을 받지 않고 모델을 독립적으로 시험할 수 있음을 확인한다.