[논문 리뷰] New Physics and Atmospheric Neutrino Trident Production with PINGU and ORCA

Shao-Feng Ge, M. Lindner외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 08.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 PINGU와 ORCA에서 검출한 대기 중 중성미자를 이용하여 뉴트리노 트리플렛 생성을 통해 새로운 물리학을 탐구하는 것을 제안한다 — 구체적으로는 한 개의 꼭짓점에서 동시에 두 개의 뮤온 트랙이 생성되는 현상이다. 논문은 표준모형의 트리플렛 사건 빈도를 계산하고, 뮤온 및 타우 뉴트리노와 결합하는 새로운 벡터 보손과 스칼라 보손에 대한 민감도를 입증한다.

ABSTRACT

We propose to use atmospheric neutrinos as a powerful probe of new physics beyond the Standard Model via neutrino trident production. The final state with double muon tracks simultaneously produced from the same vertex is a distinctive signal at large Cherenkov detectors. We calculate the expected event numbers of trident production in the Standard Model. To illustrate the potential of this process to probe new physics we obtain the sensitivity on new vector/scalar bosons with coupling to muon and tau neutrinos.

연구 동기 및 목표

• 대기 중 중성미자를 이용하여 표준모형을 초월한 새로운 물리학을 탐구하기 위한 뉴트리노 트리플렛 생성을 연구하는 것.
• 대규모 체렌코프 검출기인 PINGU와 ORCA 내에서 표준모형 내에서 기대되는 트리플렛 사건 수를 정량화하는 것.
• 뮤온 및 타우 뉴트리노와 결합하는 새로운 벡터 및 스칼라 보손에 대한 PINGU와 ORCA의 민감도를 평가하는 것.
• 대규모 중성미자 검출기에서 새로운 물리학의 특징적인 신호로서 이중 뮤온 트랙 서명의 잠재력을 확립하는 것.

제안 방법

• 트리플렛 생성 연구를 위한 고에너지 중성미자 공급원으로서 대기 중 중성미자 플럭스를 사용하는 것.
• 표준모형 내에서 중성미자 상호작용을 통한 한 꼭짓점에서 두 뮤온을 생성하는 과정을 모델링하는 것.
• 에너지 해상도 및 각도 해상도를 고려하여 PINGU와 ORCA의 검출기 특성에 맞는 시뮬레이션을 적용하여 관측 가능한 트리플렛 사건 수를 추정하는 것.
• 뮤온 및 타우 뉴트리노와 결합하는 새로운 벡터 및 스칼라 보손을 표준모형에 추가하여 새로운 물리학의 민감도를 평가하는 것.
• 효과적 장 이론 기법을 사용하여 트리플렛 생성 진폭에 대한 새로운 물리학 기여를 매개변수화하는 것.
• 표준모형 내 기대되는 트리플렛 신호와 잠재적인 새로운 물리학 신호를 비교하여 발견 가능성을 결정하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PINGU와 ORCA에서 표준모형 내에서 기대되는 뉴트리노 트리플렛 사건 수는 얼마인가?
• RQ2 PINGU와 ORCA는 뮤온 및 타우 뉴트리노와 결합하는 새로운 벡터 및 스칼라 보손에 대해 얼마나 민감한가?
• RQ3 대규모 체렌코프 검출기에서 트리플렛 생성에 의한 이중 뮤온 트랙 서명은 배경 사건과 구별될 수 있는가?
• RQ4 PINGU와 ORCA에서 검출 가능성을 높이는 트리플렛 사건의 운동량 및 위상적 특징은 무엇인가?
• RQ5 새로운 물리학 기여는 표준모형과 비교하여 트리플렛 생성 단면적과 사건 빈도에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 논문은 PINGU와 ORCA에서 표준모형 내에서 기대되는 트리플렛 사건 수를 계산하여 새로운 물리학 탐색의 기초 자료를 제공한다.
• 트리플렛 생성에 의한 이중 뮤온 트랙 서명은 그 독특한 위상도 때문에 대규모 체렌코프 검출기에서 특징적이고 식별 가능한 신호이다.
• PINGU와 ORCA는 특히 저-중간 질량 범위에서 뮤온 및 타우 뉴트리노와 결합하는 새로운 벡터 및 스칼라 보손에 대해 상당한 민감도를 보인다.
• 대기 중 중성미자의 높은 통계와 PINGU 및 ORCA의 뛰어난 꼭짓점 해상도 덕분에 새로운 물리학에 대한 민감도가 향상된다.
• 이 연구는 대기 중 중성미자 사건에서의 트리플렛 생성이 표준모형을 초월한 새로운 물리학을 보완적으로 강력하게 탐색할 수 있음을 입증한다.
• 결과는 향후 PINGU와 ORCA의 데이터가 다른 중성미자 검출 채널로 접근할 수 없는 새로운 물리학을 제약하거나 발견할 수 있을 것임을 시사한다.