[논문 리뷰] On ANITA's sensitivity to long-lived, charged massive particles

A. Connolly, P. Allison외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 24.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 21인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 초고에너지 중성자와의 상호작용을 통해 지구를 통과한 후 붕괴할 때 발생하는 광범위한 대기 샤워를 통해 ANITA 실험이 장수명, 전하를 띤 질량이 큰 입자(CHAMPs), 예를 들어 초대칭 스토의 존재를 탐지할 수 있다고 제안한다. 시뮬레이션 결과, ANITA는 10^18.5 eV 중성자 에너지에서 약 1 TeV 질량과 10 ns 수명 근처의 스토 파aram터를 제약할 수 있으며, LHC가 다루지 못하는 물리 영역을 탐색할 수 있다.

ABSTRACT

We propose that the Antarctic Impulsive Transient Antenna (ANITA) can serve as a detector for long-lived, charged particles, through its measurement of extensive air showers from secondary leptons. To test this on an example model, we simulate the production of staus inside the earth from interactions between ultra-high energy neutrinos and nuclei. We propose that results of ANITA searches for upgoing air showers can be interpreted in terms of constraints on long-lived, charged massive particles (CHAMPs) and consider a supersymmetric partner of the tau lepton, the stau, as an example of such a particle. Exploring the parameter space in stau mass and lifetimes, we find that the stau properties that lead to an observable signal in ANITA are highly energy dependent. At $10^{18.5}$ eV, we find that the best constraints on the product of the neutrino flux and the stau production cross section would be placed near $m_{ ildeτ}=$1 TeV and $τ_{ ildeτ}=$10 ns. Thus ANITA could be sensitive to new physics in a region of parameter space that is unconstrained by experiments at the Large Hadron Collider.

연구 동기 및 목표

• ANITA가 주로 초고에너지 중성자 탐지기 역할을 하는 것 외에도 장수명 전하 질량 입자(CHAMPs), 예를 들어 스토와 같은 입자를 탐지할 잠재력을 탐색하기 위해.
• 초고에너지 중성자-핵반응을 통해 지구 내에서 생성된 CHAMPs가 탐지 가능한 광범위한 대기 샤워(EAS)를 생성할 수 있는지 조사하기 위해.
• 특히 LHC가 접근할 수 없는 영역에서의 매개변수 공간에서, 다양한 스토 질량과 수명에 따른 ANITA의 CHAMP 탐지 민감도를 정량화하기 위해.
• CHAMP에 의해 유도된 대기 샤워가 ANITA가 보고한 상향 방향 사건, 특히 기울어진 입사 각도를 가진 사건을 설명할 수 있는지 평가하기 위해.
• ANITA의 고유한 관측 기하학이 고에너지 장수명 입자를 탐지하는 데 가지는 기하학적 및 운동학적 이점 평가하기 위해.

제안 방법

• 10^18.5 eV 및 10^19 eV 에너지에서 초고에너지 중성자-핵반응을 통해 지구 내에서 스토 생성 시뮬레이션 수행.
• 경로 길이에 따른 분포 붕괴 확률 dP_decay/dx 를 고려하여, 스토의 지구 내 전파를 에너지 손실과 레이저 인자 감소를 고려해 모델링.
• 붕괴 위치와 에너지 투입량에 기반하여, ANITA의 탐지 임계값을 충족하는 광범위한 대기 샤워(EAS) 생성 가능성을 계산.
• ANITA의 수평 편광 전파에 대한 알려진 민감도를 활용하여, CHAMP 붕괴로 유도된 상향 방향 샤워의 탐지 가능성 추정.
• 다양한 입사 각도(예: 6.5° 대비 35°)에 대한 신호 확률을 비교하여 하늘 전역에서의 각도 편향과 탐지 가능성 평가.
• 박층 대기에서의 대기 밀도와 샤워 발달을 고려한, 대기 샤워에서 발생하는 전파의 기하학적 및 운동학적 모델 적용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ANITA는 지구를 통과한 후 붕괴할 때 발생하는 2차 광범위한 대기 샤워를 통해 장수명 전하 질량 입자(CHAMPs), 예를 들어 스토를 탐지할 수 있는가?
• RQ2 초고에너지 중성자 플럭스와 단면적 제약 조건을 고려할 때, ANITA의 스토 탐지에 최적의 매개변수 공간(질량 및 수명)은 무엇인가?
• RQ3 CHAMP에 의해 유도된 대기 샤워 메커니즘은 더 기울어진 입사 각도에서의 탐지에 유리한가? 이는 ANITA가 보고한 상향 방향 사건을 설명할 수 있는가?
• RQ4 LHC가 고질량 장수명 초대칭 입자를 탐색하는 데 비해, ANITA의 CHAMP 탐지 민감도는 어떠한가?
• RQ5 지구의 기하학적 구조와 대기 밀도 프로파일은 CHAMP에 의해 유도된 샤워의 탐지 가능성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• ANITA는 지구를 통과한 후 붕괴할 때 발생하는 광범위한 대기 샤워를 통해 스토와 같은 CHAMPs를 탐지할 수 있으며, 이는 기존 중성자 탐지 외의 새로운 탐지 채널을 제공한다.
• 중성자 에너지가 10^18.5 eV일 때, ANITA 탐지에 가장 민감한 영역은 약 1 TeV 질량과 10 ns 수명 근처이며, 이 경우 중성자 플럭스와 스토 생성 단면적의 곱이 가장 잘 제약된다.
• CHAMP에 의해 유도된 샤워 탐지 가능성은 에너지에 크게 의존하며, 높은 중성자 에너지일수록 탐지 가능성은 크게 향상된다.
• 분포 붕괴 확률은 스토의 지구 내 경로 끝부분 근처에서 최고에 도달하는데, 이는 레이저 인자 감소로 인해 발생하며, 상층 지각에서 대기 샤워가 발생해 탐지 가능해지는 확률이 증가한다.
• 얕은 각도 사건에 대한 기하학적 선호도가 있음에도 불구하고, CHAMP 메커니즘은 여전히 각도 분포를 더 기울어진 각도 쪽으로 기울일 수는 있으나, 추가적인 천체물리적 조정 없이 ANITA의 보고된 기울어진 사건을 완전히 설명하기에는 부족하다.
• ANITA의 CHAMP 탐지 민감도는 현재 LHC 탐색이 다루지 못하는 매개변수 영역—특히 고질량, 장수명 스토—까지 확장되며, 새로운 물리 현상을 보완적으로 탐색할 수 있는 수단이 된다.