[論文レビュー] Exploring the Ultrahigh Energy Neutrino Universe

D. Cline, F. W. Stecker|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2000

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、大気中のエアショワーが引き起こすチェレンコフ放射を介して超高エネルギーニュートリノを観測するため、人工衛星搭載の光検出器（OWL/AirWatch）の利用を提案する。これにより、宇宙ニュートリノ源や初期宇宙の物理学に関する新たな視点が得られる。理論的予測では、GUTスケールの源から年間5〜16件の電子ニュートリノイベントが検出可能であり、活動銀河核（AGN）からの高エネルギーニュートリノは年間数百件に上ると予想される。これにより、グランドユニフィケーション理論やダークマター物理学の証拠が得られる。

ABSTRACT

Astronomy at the highest energies observed must be performed by studying neutrinos rather than photons because the universe is opaque to photons of these energies. By making observations of neutrinos with energies above 10 EeV one can deduce information about the distribution and cosmological history of cosmic rays which may have been accelerated to energies above 100 EeV. Very large fluxes of neutrinos at these energies which exhibit a hard spectrum would be evidence of a GUT phase transition or superheavy dark matter particles. Neutrinos at energies around a PeV may be produced in observable quantities in active galaxies from the acceleration and interactions of cosmic rays in the vicinity of massive black holes or in relativistic jets produced by these black holes. Cosmological gamma-ray bursts may also produce PeV neutrinos. Neutrinos at these energies may oscillate into tau neutrinos which can travel through the Earth by the process of regeneration and produce upward moving air-showers. Neutrinos of energies above of 1000 EeV can produce ultrahigh energy cosmic rays thorugh interactions with big-bang neutrinos, producing Z bosons. This "Z-burst" phenomenon can be used to study the mass and distribution of big-bang neutrinos.

研究の動機と目的

• 宇宙線の起源および極端な天体物理学的過程を解明するため、超高エネルギーニュートリノ宇宙をプローブとして探求すること。
• 超高エネルギーニュートリノの検出を通じて、グランドユニフィケーション理論（GUT）と初期宇宙のインフレーションの予測を検証すること。
• トポロジカルな欠陥および超重いダークマター粒子が、超高エネルギーニュートリノの源として果たす役割を調査すること。
• チェレンコフ放射を介して、上向きに進むニュートリノ誘発エアショワーを人工衛星ベースで検出する手法を開発すること。
• 地球をフィルターとして用いることで、タウニュートリノの長基準距離ニュートリノ振動の研究を可能にすること。

提案手法

• 地球の上層大気において超高エネルギーニュートリノが誘発するエアショワーからのチェレンコフ放射を、軌道上に配置された広角光集光器（OWL/AirWatch）で検出する。
• ニュートリノの衝突を標的にする地球の下部マントルを活用し、~10⁵ GeV以上のエネルギーを持つニュートリノが、タウニュートリノの再生を経て上向きのエアショワーを生成可能であることを応用する。
• ニュートリノの有効検出断面積（アパーチャー）を、ニュートリノ断面積とエネルギー依存効率にスケーリングすることで定義し、イベントレートを推定する。
• モンテカルロシミュレーションを用いてニュートリノ相互作用の特徴をモデル化し、他のチャンネルと区別可能な電子ニュートリノのチャージド・カレントイベントを特定する。
• GUTスケールのトポロジカル欠陥崩壊、UHEプロトンとCMBの相互作用、Zバースト機構から得られる予測ニュートリノフラックスを、検出器の応答関数と統合する。
• 地球の質量を標的にし、10⁶ km²の視野角により、10⁶ GeVで約10¹⁴メトリックトンの有効標的質量が得られるとする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GUTスケールのトポロジカル欠陥や初期宇宙インフレーションに起因する超高エネルギーニュートリノは、人工衛星搭載チェレンコフ計測器で検出可能か？
• RQ2 OWL/AirWatchの概念を用いた場合、UHEプロトンとCMBの相互作用に起因する電子ニュートリノの期待イベントレートはどの程度か？
• RQ3 地球内でのタウニュートリノ再生に起因する上向きエアショワーは、低しきい値の人工衛星検出器で観測可能か？
• RQ4 ニュートリノ断面積および振動効果は、AGNおよび宇宙背景ニュートリノ源の検出可能性にどのように影響するか？
• RQ5 超高エネルギーニュートリノが2 Kの残余ニュートリノ背景と相互作用する現象を、宇宙ニュートリノ背景の質量および分布の探査に利用できるか？

主な発見

• OWL/AirWatch装置は、3×10¹⁰ GeV以上のエネルギーを持つUHEプロトンとCMBの相互作用に起因する電子ニュートリノイベントを、年間約5件検出可能と予測される。
• トポロジカル欠陥崩壊生成物のフラックスは、最大で年間16件の電子ニュートリノイベントをもたらす可能性があり、グランドユニフィケーションの証拠となる可能性を示唆する。
• 活動銀河核（AGN）源からのタウニュートリノイベントは、年間数百件に上ると予測され、Super-Kamiokandeと同等のミュオンからタウニュートリノへの振動を仮定した場合に成立する。
• 地球のマントルにおけるニュートリノ相互作用の有効標的質量は、10⁶ GeVで約10¹⁴メトリックトンに達し、高感度検出が可能となる。
• 上向きエアショワーのチェレンコフ閾値は、10⁵ GeV以上と推定され、低運用率の人工衛星ミッションでも高エネルギーニュートリノ検出が現実可能となる。
• 電子ニュートリノのニュートリノアパーチャーは、3×10¹⁰ GeVで20 km²-ステラッドと推定され、エネルギーに応じてEν^0.363のスケーリングに従う。