[论文解读] Flavour specific neutrino self-interaction: $H_0$ tension and IceCube

Arindam Mazumdar, Subhendra Mohanty+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2020

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 9

一句话总结

本文研究了风味特异的中微子自相互作用，作为统一解决H₀张力与IceCube观测到的PeV中微子通量凹陷的方案。研究发现，仅在反序质量谱中τ中微子的自相互作用在1-σ水平下与宇宙学约束和IceCube数据一致，而其他风味组合所需的自相互作用强度超过宇宙学数据所允许的范围，从而限制了ΛCDM之外新物理的可行模型。

ABSTRACT

Self-interaction in the active neutrinos is studied in the literature to alleviate the $H_0$ tension. Similar self-interaction can also explain the observed dips in the flux of the neutrinos coming from the distant astro-physical sources in IceCube detectors. In contrast to the flavour universal neutrino interaction considered for solving the $H_0$ tension, which is ruled out from particle physics experiments, we consider flavour specific neutrino interactions. We show that the values of self-interaction coupling constant and mediator mass required for explaining the IceCube dips are inconsistent with the strong neutrino self-interactions preferred by the combination of BAO, HST and Planck data. However, the required amount of self-interaction between tau neutrinos ($ν_τ$) in inverted hierarchy for explaining IceCube dips is consistent with the moderate self-interaction region of cosmological bounds at 1-$σ$ level. For the case of other interactions and hierarchies, the IceCube preferred amount of self-interaction is consistent with moderate self-interaction region of cosmological bounds at 2-$σ$ level only.

研究动机与目标

• 通过引入风味特异的中微子自相互作用来解决H₀张力，避免来自风味无关耦合的约束。
• 检验能够解释IceCube PeV中微子通量凹陷的中微子自相互作用是否与来自Planck、BAO和HST数据的宇宙学约束相容。
• 确定哪些中微子风味与质量谱序组合能够同时满足宇宙学与天体物理约束。
• 评估MeV尺度媒介子在单一理论框架内同时解决H₀张力与IceCube异常的可行性。

提出的方法

• 研究采用修改后的中微子自相互作用拉格朗日量，引入风味特异的耦合：对每个风味$i = e, \mu, \tau$，有$\mathcal{L} = G_{\rm eff} (\bar{\nu}_i \nu_i)(\bar{\nu}_i \nu_i)$。
• 宇宙学约束通过MCMC分析获得，使用Planck CMB、BAO和HST数据，对$G_{\rm eff}$、$m_0$、$N_{\rm eff}$及标准宇宙学参数施加先验。
• IceCube数据分析采用广义似然函数处理非对称误差，以建模400 TeV至1 PeV范围内的观测通量凹陷。
• 分析包含共振共振态产生机制：当$E_\nu = m_\phi^2 / (2m_\nu)$时，发生$\nu\nu \to \phi$过程，导致中微子谱中出现吸收凹陷。
• 研究比较了在正常与反序中微子质量谱序下，通用、$\nu_e$、$\nu_\mu$、$\nu_\tau$自相互作用模型。
• 通过比较$\Lambda$CDM模型与自相互作用模型的$-\log$（似然）值，评估统计显著性。

实验结果

研究问题

• RQ1 风味特异的中微子自相互作用是否能在满足粒子物理约束的前提下解决H₀张力？
• RQ2 解释IceCube通量凹陷所需的自相互作用强度是否与来自Planck、BAO和HST的宇宙学约束相容？
• RQ3 哪些中微子风味与质量谱序可实现同时满足IceCube观测与宇宙学数据的自相互作用？
• RQ4 引入$\nu_\tau$自相互作用是否相比通用耦合能更好地拟合宇宙学数据？
• RQ5 风味特异自相互作用模型相比标准$\Lambda$CDM模型的统计显著性如何？

主要发现

• 在反序质量谱中，$\nu_\tau$-$\nu_\tau$自相互作用在宇宙学约束的中等自相互作用区域与1-σ水平一致。
• 对于所有其他风味组合与质量谱序，解释IceCube凹陷所需的自相互作用强度仅在2-σ水平下与宇宙学约束相容。
• $\nu_\tau$-$\nu_\tau$相互作用模型的$-\log$（似然）值为236.58，显著优于$\Lambda$CDM模型的794.84，表明其对Planck、BAO与HST数据的联合拟合效果更优。
• 通用自相互作用模型（风味无关）在反序质量谱中$-\log$（似然）值为263.51，但因MeV尺度媒介子的耦合而被粒子物理约束排除。
• 分析显示，当包含Planck TT与TE数据（1200 ≤ l ≤ 2500）时，$\log_{10}(G_{\rm eff} \, \text{MeV}^2)$表现出双峰分布，峰值出现在强自相互作用与中等自相互作用区域。
• 仅$\nu_\tau$自相互作用在中等自相互作用区域保持可行，因其未被$\pi^+\to e^+\nu_e$、$K^+\to \mu^+\nu_\mu$或$Z/\tau$隐形衰变的约束所排除。