[論文レビュー] IceCube Neutrino Initiated Cascade Events: PeV Electron-antineutrinos at Glashow Resonance

V. Barger, J. G. Learned+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2012

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 2

ひとこと要約

この論文は、アイスカウルが観測した2つのペブロンスケールの連鎖的現象が、6.3ペブロンの電子反ニュートリノによって引き起こされ、それが宇宙線とCMBとの相互作用を経て生成され、その後の振動を経て生じると提案している。これらの反ニュートリノは、グラシャフ共鳴状態（Wボソン生成）を通じて電子と共鳴的消失を起こし、その後のW→ℓ崩壊（電子/タウ）が観測されたペブロンスカッシュを生成する。これは、超高エネルギー宇宙線とニュートリノ生成の間の検証可能な関係を提供する。

ABSTRACT

We propose an interpretation of the two neutrino initiated cascade events with PeV energies observed by IceCube: Ultra-high energy cosmic ray protons (or Fe nuclei) scatter on CMB photons through the Delta-resonance (the Berezinsky-Zatsepin process) yielding charged pions and neutrons. The neutron decays give electron-antineutrinos which undergo neutrino oscillations to populate all antineutrino flavors, but the electron-antineutrino flux remains dominant. At 6.3 PeV electron-antineutrino energy their annihilation on electrons in the IceCube detector is enhanced by the Glashow resonance (the W-boson) whose decays can give the PeV showers observed in the IceCube detector. The two observed showers with ~1 PeV energies would need to be from W leptonic decays to electrons and taus. An order of magnitude higher event rate of showers at 6.3 PeV is predicted from W to hadron decays. This interpretation can be tested in the near term. It has significant physics implications on the origin of the highest energy cosmic rays, since neutrino events and cosmic ray events likely share a common origin.

研究の動機と目的

• アイスカウルが約1ペブロンのエネルギーで観測した2つの高エネルギー連鎖的現象の起源を説明すること。
• これらの現象が6.3ペブロンのグラシャフ共鳴エネルギーにある電子反ニュートリノに起因するかどうかを調査すること。
• 超高エネルギー宇宙線（陽子または鉄核）がCMBでBerezinsky-Zatsepin過程を経てこれらのニュートリノを生成するという仮説を検証すること。
• このメカニズムが、最高エネルギー宇宙線の天体的起源に与える影響を検討すること。

提案手法

• 超高エネルギー宇宙線の陽子または鉄核が、CMB光子とΔ共鳴状態（Berezinsky-Zatsepin過程）を介して散乱するモデル化。
• 生成される荷電π中間子および中性子の生成を計算し、中性子の崩壊によって電子反ニュートリノが生成されることを示す。
• ニュートリノ振動理論を適用してフレーバー組成を特定し、高エネルギー領域で電子反ニュートリノが支配的であることを示す。
• 6.3ペブロンにおける電子反ニュートリノと電子の共鳴的消失断面積を、グラシャフ共鳴状態（Wボソン生成）を介して評価する。
• 生成されたWボソンの崩壊経路をシミュレートし、検出可能なペブロンスカッシュを生成する電子・タウのレプトン的崩壊（W→e⁻ν̄ₑ, W→τ⁻ν̄_τ）に焦点を当てる。
• ハドロン的崩壊（W→hadrons）のイベントレートを予測し、レプトン的崩壊と比較して10倍程度高いことが期待されることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アイスカウルで観測された2つのペブロンスカッシュ現象は、6.3ペブロンのグラシャフ共鳴エネルギーにある電子反ニュートリノによって説明可能か？
• RQ2 これらの高エネルギー電子反ニュートリノの天体的起源は何か？また、CMBとの宇宙線相互作用によってどのように生成されるか？
• RQ3 ニュートリノ振動は、6.3ペブロンにおける電子反ニュートリノフラックスの優位性をどの程度維持するか？
• RQ4 6.3ペブロンにおけるWボソンのレプトン的崩壊（電子/タウ）の期待イベントレートは何か？観測されたスカッシュ現象と比べてどうか？
• RQ5 このメカニズムは、超高エネルギー宇宙線と観測されたペブロンニュートリノ現象の共通の起源を提供できるか？

主な発見

• 観測された2つのペブロンスカッシュ現象は、6.3ペブロンのグラシャフ共鳴エネルギーにおける電子反ニュートリノの消失から生じるWボソン崩壊によって説明可能である。
• 6.3ペブロンの電子反ニュートリノは、CMB光子と相互作用する超高エネルギー宇宙線のBerezinsky-Zatsepin過程によって生成される。
• 相互作用生成物からの中性子の崩壊によって生じる電子反ニュートリノフラックスは、ニュートリノ振動を経ても依然として支配的である。
• 6.3ペブロンにおけるW→レプトン的崩壊（電子/タウ）の予測イベントレートは、アイスカウルで観測されたスカッシュレートと一致する。
• W→ハドロン的崩壊のイベントレートは、10倍程度高いと予想され、これは重要な検証可能な予測である。
• この状況は、最高エネルギー宇宙線と観測されたペブロンニュートリノ現象の共通の天体的起源を示唆する。