[논문 리뷰] New limits on neutrino decay from the Glashow resonance of high-energy cosmic neutrinos

Mauricio Bustamante|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 15.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 아이스컵에서 관측된 첫 번째 글라쇼 레지온 후보(6.3 PeV 반전자 중성미자 사건)를 이용해, 우주 중성미자 질량 상태 eigenstates ν₁과 ν₂의 붕괴 수명에 대한 새로운 하한을 설정한다. 이는 ν₃로의 붕괴를 고려한 것이다. 이 방법은 만약 ν₁과 ν₂가 상당히 붕괴된다면, 남아있는 중성미자 플럭스는 글라쇼 레지온을 유도할 만큼의 전자-플라버 성분을 갖지 못할 것이므로, 한 번의 사건이라도 관측된다면 이는 ν₁과 ν₂의 붕괴 수명을 제약하는 데 기여한다. 이 중 ν₂의 제약은 현재까지 가장 엄격하며, ν₁의 제약도 비슷한 수준에 도달하고 있다.

ABSTRACT

Discovering neutrino decay would be strong evidence of new physics. Presently, there are only lax lower limits on the lifetime $ au$ of neutrinos, of $ au/m > 10^{-3}$ s eV$^{-1}$ or worse, where $m$ is the neutrino mass. Fortunately, TeV-PeV cosmic neutrinos offer superior sensitivity to decay due to their cosmological-scale baselines. We employ a promising method, recently proposed, that uses the Glashow resonance $\bar{ u}_e + e o W$, triggered by $\bar{ u}_e$ of 6.3 PeV, to test decay with only a handful of detected events. Based on the recent detection of the first Glashow resonance candidate in IceCube, we place new lower limits on the lifetimes of $ u_1$ and $ u_2$ in the inverted mass ordering. For $ u_2$, our limit is the current best. For $ u_1$, our limit is close to the current best and will surpass it soon.

연구 동기 및 목표

• 고에너지 우주 중성미자 ν₁과 ν₂의 수명을 제약하기 위해, 이들은 표준 모형을 넘는 물리학의 후보이다.
• 6.3 PeV에서 발생하는 글라쇼 레지온(ν̄ₑ + e⁻ → W⁻)을 이용해 중성미자 붕괴를 탐지하는 데 목적이 있으며, 이는 ν₃로의 붕괴가 레지온 신호를 억제하기 때문이다.
• 아이스컵에서 관측된 첫 번째 글라쇼 레지온 후보(4.6년 분석)를 활용해, 모델에 종속되지 않은 보수적인 하한을 ν₁과 ν₂ 수명에 대해 유도한다.
• 향후 아이스컵과 아이스컵-젠2에서 2~4개의 글라쇼 레지온 사건을 관측할 경우의 감도를 예측한다.

제안 방법

• 이 방법은 6.3 PeV에서 표준 νN 산란보다 약 200배 큰 단면적을 가지는 글라쇼 레지온에 기반한다. 이는 고에너지 우주 중성미자에 대한 민감한 탐지 수단이 된다.
• 만약 ν₁과 ν₂가 안정적인 ν₃로 붕괴된다면, 전자-플라버 성분이 억제되어 글라쇼 레지온 사건이 발생하지 않게 된다. 따라서 이러한 사건을 관측한다는 것은 ν₁과 ν₂가 모두 붕괴되지 않았음을 시사한다.
• NuFit 4.1 글로벌 피팅에서 유도된 혼합 매개변수에 대한 사전 분포와 넓은 수명에 대한 사전 분포를 사용해, 아이스컵 데이터에서 4.6년 동안 관측된 단일 글라쇼 레지온 후보를 바탕으로 베이지안 분석을 수행한다.
• 검출기 효과, 입자물리학적 불확실성(혼합 각도, CP 위상), 천체물리학적 플럭스 매개변수를 고려하여 보수적인 제약을 확보한다.
• 혼합 매개변수를 최적 피팅 값으로 고정하고, 아이스컵에서 2~4개의 사건, 아이스컵-젠2에서 2개의 사건을 관측할 경우를 가정해 향후 감도를 예측한다.
• 계층적 질량 모델을 가정할 때, 생명 주기 제약에서 유도된 효과적 결합 상수(스칼라 + 페시오스칼라)의 상한을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 아이스컵에서 관측된 첫 번째 글라쇼 레지온 후보를 이용해, 우주 중성미자 ν₁과 ν₂의 수명을 제약할 수 있는가?
• RQ2 이러한 제약은 태양 중성미자 실험에서 얻은 기존 제약과 비교해 어떻게 다른가?
• RQ3 추가적인 글라쇼 레지온 사건의 관측으로 감도가 얼마나 향상될 수 있는가?
• RQ4 중성미자 혼합 매개변수와 천체물리학적 플럭스의 불확실성은 유도된 수명 제약에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 새로운 경량 보손과의 결합을 포함하는 중성미자 붕괴 모델에 대해 어떤 함의가 있는가?

주요 결과

• 아이스컵에서 4.6년 동안 관측된 글라쇼 레지온 후보는 현재까지 가장 엄격한 ν₂ 수명 하한을 설정한다. 90% 신뢰수준에서 τ₂/m₂ > 10^6.81 s/eV이다.
• ν₁에 대해서는 90% 신뢰수준에서 τ₁/m₁ > 10^8.03 s/eV이며, 이는 태양 중성미자 실험에서 얻은 현재까지 가장 엄격한 제약과 유사하다.
• 두 번째 글라쇼 레지온 사건이 관측된다면, ν₁의 수명 제약은 10배 이상 향상되어 현재의 제약을 초월하게 된다.
• 아이스컵에서 2개의 글라쇼 레지온 사건을 관측할 경우(9.2년), ν₁의 제약은 τ₁/m₁ > 10^6.81 s/eV로 향상되고, ν₂의 제약 역시 동일한 값으로 향상된다. 아이스컵-젠2에서는 더 큰 향상이 예상된다.
• 90% 신뢰수준에서 ν₁이 새로운 경량 보손과의 결합에 대해 상한은 4.77×10⁻⁶ (eV/m₁)이며, 두 개의 사건을 관측하면 3.17×10⁻⁷ (eV/m₁)로 향상된다.
• ν₂의 결합 상한은 7.24×10⁻⁶ (eV/m₂)이며, 두 개의 사건을 관측하면 4.41×10⁻⁶ (eV/m₂)로 향상되며, 이는 ν₂의 경우 태양 중성미자 제약을 초월한다.