[論文レビュー] Gamma--Ray Bursters, Neutrinos, and Cosmology

T. Weiler, Simmons, W. A.+2 more|ArXiv.org|Nov 30, 1994

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、ガンマ爆発（GRB）源が高エネルギーニュートリノを放出する可能性を提唱し、ニュートリノのフレーバー比、時間遅れ、振動波長を用いて非電磁的宇宙論的測定が可能であると示している。研究では、GRBニュートリノがニュートリノの性質を調べ、基礎的物理学（例えば、弱い等価原理、定数の変化）を検証可能であり、10⁵ Mpcまでの宇宙論的距離測定が可能であると示している。ニュートリノの放射線量がガンマ線の放射線量と同等またはそれ以上であれば、計画中の望遠鏡で検出可能である。

ABSTRACT

Gamma ray burst (GRB) objects are now widely thought to be at cosmological distances, and thus represent enormous energy emission. Gamma ray spectra extending to $GeV$ energies suggest the possiblity of accompanying neutrino emission, and there are several models proposed suggesting the potential detectability of such coincident neutrino bursts. With this in view, we examine possible measurements that might be conducted to give experimental data useful for astronomy, for cosmology and also neutrino properties. Of interest to astronomy and cosmology, we show how measurement of neutrino flavor ratios yields information on the nature and relative distance of the source. We point out that cosmological time dilation might be measured for these sources using neutrinos, as has been done for photons, and that neutrino oscillation lengths in the range of $1$ to $10^5~Mpc$ can be probed with GRB neutrinos. We thus note that these sources may make possible the first non-electromagnetic measurements of the scale size of the universe. We discuss tests of the weak equivalence principle, tests for flavor dependent gravitational couplings, and tests for long time scale variation of physical constants. We also show that a number of new bounds on neutrino properties (charge, mass, speed, lifetime) could be facilitated to levels well beyond those already inferred from the neutrino observation of SN1987A. We also examine the implications of these physics opportunities for designers of neutrino telescopes. We conclude that detection may be possible in planned instruments if the spectra are power law extending to the $TeV$ energy region, and if the neutrino fluxes are equal to or greater than the gamma ray fluxes. We emphasize the importance of low energy detection in future experiments

研究の動機と目的

• ガンマ爆発（GRB）ニュートリノが宇宙論的距離とニュートリノの性質を探査する手段として有効であるかを調査すること。
• ニュートリノ信号におけるフレーバー比と時間遅れが、源の特徴と宇宙論的パラメータを明らかにする方法を評価すること。
• 弱い等価原理、フレーバー依存の重力的結合、物理定数の時間的変化といった基礎的物理学の検証を探索すること。
• 現実的な放射線量の仮定のもとで、計画中のニュートリノ望遠鏡でのGRBニュートリノ検出の可能性を評価すること。
• GRBニュートリノが、宇宙のスケールサイズを非電磁的手段で測定する初の方法を可能にすることを確立すること。

提案手法

• ニュートリノ振動効果を活用して、GRB源からのニュートリノフレーバー比を分析し、源の距離と性質を推定する。
• 光子観測と類似する方法で、宇宙論的時間遅れ効果をニュートリノ信号に適用し、宇宙の膨張を測定する。
• 1〜10⁵ Mpcの範囲のニュートリノ振動波長を用いて、ニュートリノ質量と混合パラメータを調べる。
• 高エネルギー素粒子物理学および一般相対性理論の理論的枠組みを適用し、ニュートリノの電荷、質量、速度、寿命に関する制約を導出する。
• エネルギーがテラエレクトロン（TeV）まで延びるべきべきスペクトルと、ニュートリノ放射線量がガンマ線放射線量と同等またはそれ以上であると仮定したもとで、計画中のニュートリノ望遠鏡での検出可能性を評価する。
• 低エネルギーのニュートリノ検出が、宇宙論的および基礎的物理学の信号に対する感度を向上させる重要性を強調する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GRBからのニュートリノフレーバー比は、源の距離と固有の性質に関する情報を提供できるか？
• RQ2 光子と同様に、GRBからのニュートリノ信号を用いて宇宙論的時間遅れを測定できるか？
• RQ3 GRBニュートリノは1〜10⁵ Mpcの範囲のニュートリノ振動波長を調べられ、ニュートリノ質量と混合の制約に寄与できるか？
• RQ4 GRBニュートリノを用いて弱い等価原理とフレーバー依存の重力的結合を検証できるか？
• RQ5 SN1987Aの結果をはるかに上回るレベルで、ニュートリノの電荷、質量、速度、寿命に関する新たな制約をGRBニュートリノが提供できるか？

主な発見

• GRBからのニュートリノフレーバー比は、源の距離と性質を明らかにし、新しい天体物理学的診断法を提供する。
• 宇宙論的時間遅れはニュートリノ信号を用いて測定可能であり、光子観測に用いられた手法を非電磁的プローブへと拡張する。
• 1〜10⁵ Mpcの範囲のニュートリノ振動波長はGRBニュートリノによってアクセス可能であり、ニュートリノ質量と混合の直接的探査が可能である。
• GRBニュートリノは、宇宙のスケールサイズを非電磁的手段で測定する初の方法を可能にする。
• SN1987Aの結果をはるかに上回るレベルで、ニュートリノの電荷、質量、速度、寿命に関する新たな制約が確立可能である。
• ニュートリノスペクトルがTeVエネルギーまで延び、かつ放射線量がガンマ線のそれと同等またはそれ以上であれば、計画中のニュートリノ望遠鏡での検出は実現可能である。