[논문 리뷰] The ANITA Anomalous Events as Signatures of a Beyond Standard Model Particle, and Supporting Observations from IceCube

D. B. Fox, Steinn Sigurðsson외 5명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 25.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 30

한 줄 요약

논문은 약 0.6 EeV의 에너지와 급격한 탈출 각도(27° 및 35°)를 가진 상향 방향의 우주선 붕괴 현상인 ANITA 이상 현상이 표준모형을 초월하는(BSM) 입자, 특히 초대칭 모형에서의 가장 가벼운 스토 라이프 타우 스텔레프($\tilde{\tau}_R$)의 신호일 수 있다고 제안한다. 이러한 입자는 중성자-핵 반응을 통해 생성되어 지구를 거의 에너지 손실 없이 통과하고, 고에너지 타우 렙톤으로 붕괴함으로써 이상 현상의 비정상적인 기하학적 특성과 IceCube의 고에너지 트랙 사건에서의 지원 증거를 설명한다.

ABSTRACT

The ANITA collaboration have reported observation of two anomalous events that appear to be $\\varepsilon_{\ m cr} \\approx 0.6$ EeV cosmic ray showers emerging from the Earth with exit angles of $27^\\circ$ and $35^\\circ$, respectively. While EeV-scale upgoing showers have been anticipated as a result of astrophysical tau neutrinos converting to tau leptons during Earth passage, the observed exit angles are much steeper than expected in Standard Model (SM) scenarios. Indeed, under conservative extrapolations of the SM interactions, there is no particle that can propagate through the Earth with probability $p > 10^{-6}$ at these energies and exit angles. We explore here whether "beyond the Standard Model" (BSM) particles are required to explain the ANITA events, if correctly interpreted, and conclude that they are. Seeking confirmation or refutation of the physical phenomenon of sub-EeV Earth-emergent cosmic rays in data from other facilities, we find support for the reality of the ANITA events, and three candidate analog events, among the Extremely High Energy Northern Track neutrinos of the IceCube Neutrino Observatory. Properties of the implied BSM particle are anticipated, at least in part, by those predicted for the "stau" slepton ($\ ilde{\ au}_R$) in some supersymmetric models of the fundamental interactions, wherein the stau manifests as the next-to-lowest mass supersymmetric partner particle.

연구 동기 및 목표

• 표준모형(SM) 물리학으로는 설명할 수 없는, 약 0.6 EeV의 에너지와 27° 및 35°의 급격한 탈출 각도를 가진 상향 방향의 우주선 붕괴 현상인 ANITA 이상 현상을 설명하기 위해.
• 이러한 현상이 표준모형을 초월하는(BSM) 입자가 필요하다는 것을 입증하기 위해, 표준모형 과정이 이러한 에너지와 각도에서 10⁻⁶ 확률을 초과해 이러한 붕괴 현상을 생성할 수 없다는 점을 고려하여.
• 특히 IceCube와 같은 다른 고에너지 중성자 및 우주선 관측소에서 유사 현상에 대한 지원 증거를 찾기 위해.
• 초대칭 모형에서 장수명의 스토 라이프 타우 입자($\tilde{\tau}_R$)가 BSM 입자로 기여할 수 있는 이론적 및 현상학적 함의를 규명하기 위해.
• 우주선이 지구에서 탈출하는 현상(SEECRs)의 존재를 확인하거나 반증하기 위한 향후 관측 전략을 제안하기 위해.

제안 방법

• ANITA의 보고된 이상 현상(AAEs)을 분석하며, 천정 각도가 각각 117.4° 및 125.0°이며, 이에 해당하는 탈출 각도는 27° 및 35°이며, 에너지는 약 0.6 EeV이다.
• 관측된 전파 펄스의 극성과 기하학적 특성을 표준모형(SM) 기대치와 비교하여, 반전되지 않은 극성과 지평선 이하의 입사가 반사된 대기 붕괴 현상과 일치하지 않음을 보여준다.
• 표준모형 중성자-핵 반응을 평가하여, 이러한 에너지와 각도에서 지구를 통과할 확률가 10⁻⁶를 초과하는 알려진 입자가 존재하지 않음을 확인한다.
• 초기 우주에서의 고에너지 우주선 중성자-핵 반응을 통해 생성된 장수명의 오른쪽 스토 라이프 타우 입자($\tilde{\tau}_R$)를 포함하는 BSM 메커니즘을 제안하며, 이는 거의 에너지 손실 없이 지구를 통과한다.
• IceCube의 북반구 트랙 샘플에서 유사한 현상에 해당하는 사건을 검색하여, SEECR(지구에서 탈출하는 우주선) 서명과 일치하는 세 개의 후보 고에너지 트랙 사건을 식별한다.
• 초대칭 이론에서 유래한 이론 모델을 사용하여 $\tilde{\tau}_R$의 특성, 즉 수명, 질량 범위(0.5–1.0 TeV), 그리고 타우 렙톤으로 붕괴되어 관측된 대기 붕괴 현상을 유도하는 과정을 예측한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ANITA 이상 현상은 표준모형 물리학으로 설명될 수 있는가, 아니면 표준모형을 초월하는 입자가 필요한가?
• RQ2 급격한 탈출 각도를 가진 관측된 상향 방향 붕괴 현상을 설명할 수 있는 장수명의 오른쪽 스토 라이프 타우 입자($\tilde{\tau}_R$)의 예상 특성은 무엇인가?
• RQ3 IceCube와 같은 다른 고에너지 중성자 관측소에서 유사한 현상에 대한 지원 관측 결과가 있는가?
• RQ4 풍선 기반, 지상 기반, 위성 기반 시설을 포함한 향후 실험들이 지구에서 탈출하는 우주선(SEECRs)의 탐지 및 특성 분석을 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 SEECR 현상이 $\tilde{\tau}_R$ 붕괴에서 기인한다는 것이 확인된다면, 초대칭 및 암흑물질에 대한 함의는 무엇인가?

주요 결과

• ANITA 이상 현상은 반전되지 않은 전파 펄스 극성과 지평선 이하의 입사 특성을 보이며, 반사된 대기 붕괴 현상과 일치하지 않으며, 직접적인 상향 방향 원천이 필요하다.
• 표준모형 물리학은 관측된 현상을 설명할 수 없으며, 약 0.6 EeV의 에너지와 27°–35°의 탈출 각도에서 지구를 통과할 확률가 10⁻⁶를 초과하는 알려진 입자가 존재하지 않는다.
• 이 현상은 고에너지 타우 렙톤으로 붕괴하는 장수명의 오른쪽 스토 라이프 타우 입자($\tilde{\tau}_R$)에 의해 가장 잘 설명된다. 이는 UHECR 중성자-핵 반응에서 생성되며, 지구를 거의 손실 없이 통과한다.
• IceCube의 북반구 트랙 샘플에서 세 개의 후보 사건이 SEECR 현상과 일치하는 특성을 보이며, ANITA 사건에 대한 독립적인 지원 증거를 제공한다.
• 스토 라이프 타우 입자 모형은 질량 범위 0.5–1.0 TeV와 지구 통과에 충분한 수명을 예측하여, 암흑물질 후보로 유력하다.
• 향후 ANITA-4, EUSO-SPB2, IceCube, KM3Net, JEM-EUSO의 관측 결과가 SEECR 현상을 확인하고 초대칭 모형을 시험할 수 있을 것이다.