[論文レビュー] Neutrino Absorption in the Earth, Neutrino Cross-Sections, and New Physics

S. R. Klein, A. Connolly|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 15

ひとこと要約

この論文は、大規模なニュートリノ望遠鏡を用いてニュートリノ-核子断面積を測定することで、標準模型を超える新しい物理、特に追加次元やレプトクォークを、地球における高エネルギーニュートリノ吸収を用いて探査することを提案している。10^17 eVを超えるエネルギーでは、地球のニュートリノに対する不透明度のおかげで、天体的ニュートリノの方位角分布を用いて断面積を高精度に測定可能であり、ARAおよびARIANNA実験では、1度未満の方位角分解能で年間約10件のイベントを検出すると予想されている。

ABSTRACT

Large neutrino telescopes can measure the neutrino-nucleon cross-section by studying neutrino absorption in the Earth.

研究の動機と目的

• 地球内でのニュートリノ吸収が、加速器の到達域を超える領域における標準模型を超える新しい物理、特に追加次元やレプトクォークを制限する方法を調査すること。
• ニュートリノ望遠鏡を用いて、超高エネルギー（10^17–10^21 eV）におけるニュートリノ-核子断面積を測定する可能性を評価すること。
• 将来の電波チェレンコフ検出器（ARAおよびARIANNA）が、標準模型予測からの断面積のずれにどの程度感度を持つのかを評価すること。
• これらのエネルギー領域における極めて高い地球の不透明度にもかかわらず、GZKニュートリノが高精度な断面積測定を可能にする役割を特定すること。
• 極端なBjorken-xおよびQ²値におけるパートン分布関数の不確実性を、天体的ニュートリノフラックスを活用することで緩和すること。

提案手法

• 先行研究からの理論的計算を用いて、標準模型および追加次元やレプトクォークを含むさまざまな新しい物理のシナリオにおけるニュートリノ-核子断面積をモデル化する。
• 50 TeVを超えるエネルギーで、地球を通過する上向きニュートリノの天頂角分布を、吸収を考慮してシミュレーションする。
• 宇宙線が4×10^19 eVを超えるエネルギーでCMB光子と相互作用することで生成されるGZKニュートリノフラックスを、超高エネルギー測定の主な天体的源として使用する。
• 電波チェレンコフ検出器（ARAおよびARIANNA）を用いて、南極氷中におけるニュートリノ誘発シャワーを観測し、電磁気的およびハドロン的カスケードから生じる電波パルスに依存する。
• 方位角分解能の制約（ARAでは6°、ARIANNAでは2.9°）を適用して、検出可能なイベント数および断面積の変動に対する感度を推定する。
• 標準模型の予測に基づき、荷電および中性荷電現在の断面積の間で線形スケーリングを仮定することで、全断面積効果を分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 加速器の到達域を超えるエネルギー領域において、地球内でのニュートリノ吸収が、追加次元やレプトクォークといった新しい物理を感受的に探査できるか。
• RQ2 追加の折りたたまれた次元やニュートリノに強く反応する新しい物理のシナリオにおいて、ニュートリノ-核子断面積は標準模型からどの程度ずれるか。
• RQ3 ARAやARIANNAといった超高エネルギーニュートリノ望遠鏡は、10^17 eVを超える天体的ニュートリノを用いて、全ニュートリノ-核子断面積をどの程度正確に測定できるか。
• RQ4 極端なBjorken-xおよびQ²値におけるパートン分布関数の不確実性が、超高エネルギー領域における断面積予測にどの程度影響を及えるか。
• RQ5 水平付近の高エネルギーニュートリノの方位角分布を用いて、十分な精度で全断面積を抽出でき、新しい物理を検出可能か。

主な発見

• ニュートリノ吸収は約50 TeVを超えるエネルギーで顕著になり、上向きニュートリノの天頂角分布を変化させ、断面積測定を可能にする。
• 10^17 eVを超えるエネルギーでは、地球はニュートリノに対してほぼ不透明になるため、検出可能なニュートリノは水平線の数度以内に限られ、高精度な方位角分解能が不可欠となる。
• ARAおよびARIANNAは、フル検出器で年間約10件の高エネルギーニュートリノイベントを観測すると予想されており、断面積感度に十分である。
• ARIANNA実験では、平均して天頂角分解能が2.9°に達すると予想され、ARAの6°よりも顕著に高い方位角精度を実現する。
• GZKニュートリノフラックスは約10^19 eVでピークを示し、中心系エネルギー140 TeVまで測定可能な高精度な天体的源として利用可能である。
• 追加次元やニュートリノに強く反応する新しい物理によって予想される急激に上昇する断面積は、光度が低いにもかかわらず、LHCのデータよりも超高エネルギーニュートリノによってより感受的に探査可能である可能性がある。