[논문 리뷰] The pros and cons of beyond standard model interpretations of ANITA events

L. Anchordoqui, Ignatios Antoniadis외 12명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 15.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 12인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 ANITA가 감지한 두 개의 이례적인 500 PeV 대기 샤워 사건에 대해 표준모형을 초월하는(BSM) 설명을 평가한다. 이 사건들은 큰 고도 각도에서 남극 얼음에서 나온 듯 보이며, 이는 지구 내부에 갇힌 BSM 입자, 중성자와의 충돌로 생성된 BSM 입자, 천체물리적 원천 등 세 가지 유형의 모델을 고려한다. 일부 모델은 데이터를 설명할 수 있지만, IceCube와 Auger의 비관측 결과로 인해 강력한 제약을 받으며, 유의미한 타당성을 유지하기 위해서는 극도로 정밀하게 조정된 조건 또는 비표준 물리학이 필요하다.

ABSTRACT

The Antarctic Impulsive Transient Antenna (ANITA) experiment has observed two air shower events with energy $\sim 500~{ m PeV}$ emerging from the Earth with exit angles $\sim 30^\circ$ above the horizon. As was immediately noted by the ANITA Collaboration, these events (in principle) could originate in the atmospheric decay of an upgoing $τ$-lepton produced through a charged current interaction of a $ν_τ$ inside the Earth. However, the relatively steep arrival angles of these perplexing events create tension with the standard model (SM) neutrino-nucleon interaction cross section. Deepening the conundrum, the IceCube neutrino telescope and the Pierre Auger Observatory with substantially larger exposures to cosmic $ν_τ$'s in this energy range have not observed any events. This lack of observation implies that the messenger particle (MP) giving rise to ANITA events must produce an air shower event rate at least a factor of 40 larger than that produced by a flux of $τ$-neutrinos to avoid conflicts with the upper limits reported by the IceCube and the Pierre Auger collaborations. In addition, the sensitivity of ANITA to MP-induced events must be comparable to or larger than those of IceCube and Auger to avoid conflict with the non-observation of any signal at these facilities. Beyond SM interpretations of ANITA events can be classified according to whether the MPs: (i) live inside the Earth, (ii) originate in neutrino-nucleon collisions inside the Earth, (iii) come from cosmological distances. In this communication we investigate the positive and negative facets of these three classes of models.

연구 동기 및 목표

• ANITA가 관측한 500 PeV 대기 샤워 사건 두 건에 대해, 큰 탈출 각도(~30°)를 가진 표준모형을 초월하는(BSM) 설명의 타당성을 평가하기 위해.
• ANITA의 관측 사건과 IceCube 및 피에르 아우제르 관측소의 유사 사건 비관측 간의 괴리성을 조사하기 위해.
• 세 가지 유형의 BSM 모델을 분류하고 평가하기 위해: (i) 지구 내부에 존재하는 입자, (ii) 중성자-핵 반응으로 생성된 입자, (iii) 낯설은 입자에 대한 천체물리적 원천.
• 기존 실험 상한선과 충돌을 피하기 위해 BSM 모델이 요구하는 유효한 조건, 즉 유입률 증폭과 탐지 효율을 규명하기 위해.
• 세밀 조정, 위상 일관성 상실, 은하중심 신호와의 방향 불일치 등 주요 과제를 식별하기 위해.

제안 방법

• BSM 모델을 세 가지 유형으로 분류: (i) 지구 내부에 갇힌 장수명 입자, (ii) 중성자-핵 반응을 통해 생성된 입자, (iii) 흑색 중성자 또는 SHDM 붕괴와 같은 천체물리적 원천.
• 탈출 각도 α에 따른 스테이의 생존 및 탐지 확률을 평가하기 위해 파arameter 스캔을 수행하며, 입력 파rameter는 E = 5×10⁹ GeV, m = 800 GeV, cτ = 4 m.
• IceCube와 Auger의 관측 노출량 제약 조건을 적용하여, BSM 사건 빈도가 표준 τ-중성자 빈도보다 최소 40배 이상 높아야만 상한선과 충돌하지 않도록 보장.
• 전이 복사 및 표면 이하 반사와 같은 다른 설명과의 일치 여부를 평가하여, 파형과 편광 각도가 데이터와 괴리됨을 확인.
• 희귀 중성자 및 SHDM 붕괴 모델의 타당성을 평가하여, IceCube 상한선을 충족시키기 위해 유입률이 높아야 하며, 혼합 각도가 극도로 작아지지 않도록 해야 함.
• 기타 약한 상호작용을 갖는 입자에서 발생하는 아사카르 방출의 역할을 고려하여, 이는 파형을 설명할 수 있지만, 이성질적 상호작용이 존재하지 않는 한 편광을 설명할 수 없다는 점을 지적.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지구 내부에 갇힌 장수명 BSM 입자로는 ANITA의 두 사건(유사한 에너지와 탈출 각도)을 설명할 수 있는가?
• RQ2 IceCube와 Auger의 비관측 결과는 표준 τ-중성자 빈도보다 더 높은 사건 빈도를 예측하는 BSM 모델에 어떤 제약을 가하는가?
• RQ3 표면 이하 반사 또는 전이 복사로는 ANITA 사건을 설명할 수 있으며, 관측된 편광 각도와 펄스 형태와 일치하는가?
• RQ4 희귀 중성자 또는 SHDM 붕괴와 같은 천체물리적 BSM 원천은 ANITA 관측 결과와 IceCube 상한선을 동시에 충족시키는가?
• RQ5 SHDM 붕괴 모델의 경우 은하중심 향한 방향성 신호(예: ‘흡족한 증거’)가 존재할 수 있으며, ANITA 사건은 이러한 패턴을 보이는가?

주요 결과

• 탈출 각도 α ≈ 34°인 ANITA 사건을 탐지할 확률은 E = 5×10⁹ GeV, m = 800 GeV, cτ = 4 m 조건에서 p_event ≈ 0.22%로 최대가 된다.
• IceCube와 Auger의 비관측 결과를 피하기 위해 BSM 모델은 τ-중성자 빈도보다 최소 40배 이상의 사건 빈도를 예측해야 한다.
• SHDM 붕괴로 인한 희귀 중성자 생성 모델의 경우, IceCube의 ν₄ 빈도 상한선을 충족시키기 위해 m₄ ≳ 1 keV 이며 혼합 각도 sin²ϑ ≲ 0.01여야 한다.
• ANITA에 적합한 파rameter 조건에서 IceCube에 예측되는 사건 빈도는 관측된 것보다 약 6배 높으며, 이는 유입률이 억제되거나 모델이 세밀 조정되지 않는 한 긴장 상태임을 시사한다.
• 반사 기반 설명(예: 표면 이하 반사 또는 전이 복사)은 특히 30–80 MHz 범위에서 15:1 대역폭 비율을 가지며, 위상 일치한 깔끔한 펄스를 보이는 관측된 펄스 형태와 편광 각도와 괴리된다.
• ANITA 사건 중 어느 것도 은하중심을 향하지 않으며, 이는 SHDM 붕괴가 원천이 될 수 없음을 시사한다. 유일한 경우는 붕괴 생성입자가 극도로 비대칭적일 경우이지만, 이는 관측되지 않았다.