[论文解读] SuperGZK neutrinos

V. Berezinsky|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2005

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 1

一句话总结

本文研究了超高能中微子（E > 10²⁰ eV）的来源与通量，重点关注宇宙射线与宇宙微波背景光子相互作用产生的宇宙起源中微子，以及超重暗物质和拓扑缺陷等替代来源。研究发现，最大加速能量较高（10²³ eV）且注入谱平坦的演化模型可预测可观测的通量；而镜像中微子可能产生最高的通量，但其通量受到射电辐射观测的限制。

ABSTRACT

The sources and fluxes of superGZK neutrinos, $E>10^{20}$ eV, are discussed. The fluxes of {\em cosmogenic neutrinos}, i.e. those produced by ultra-high energy cosmic rays (UHECR) interacting with CMB photons, are calculated in the models, which give the good fit to the observed flux of UHECR. The best fit given in no-evolutionary model with maximum acceleration energy $E_{ m max}=1 imes 10^{21}$ eV results in very low flux of superGZK neutrinos an order of magnitude lower than the observed flux of UHECR. The predicted neutrino flux becomes larger and observable by next generation detectors at energies $10^{20} - 10^{21}$ eV in the evolutionary models with $E_{ m max}=1 imes 10^{23}$ eV. The largest cosmogenic neutrino flux is given in models with very flat generation spectrum, e.g. $\propto E^{-2}$. The neutrino energies are naturally high in the models of {\em superheavy dark matter and topological defects}. Their fluxes can also be higher than those of cosmogenic neutrinos. The largest fluxes are given by {\em mirror neutrinos}, oscillating into ordinary neutrinos. Their fluxes obey some theoretical upper limit which is very weak, and in practice these fluxes are most efficiently limited now by observations of radio emission from neutrino-induced showers.

研究动机与目标

• 评估超高能宇宙射线与宇宙微波背景相互作用产生的超GZK中微子（E > 10²⁰ eV）的通量。
• 评估符合观测到的UHECR通量的模型中，宇宙起源中微子产生的可行性。
• 探索超GZK中微子的替代来源，包括超重暗物质和拓扑缺陷。
• 确定镜像中微子可能产生的最大通量及其观测约束。
• 将预测的中微子通量与下一代探测器的灵敏度及当前观测限制进行比较。

提出的方法

• 基于UHECR传播和与CMB光子相互作用的模型，计算宇宙起源中微子通量，假设不同的注入谱和演化情景。
• 采用最大加速能量 E_max = 1×10²¹ eV 的无演化模型，推导中微子通量预测。
• 将分析扩展至最大加速能量 E_max = 1×10²³ eV 的演化模型，以评估更高能中微子的产生。
• 评估来自超重暗物质衰变和拓扑缺陷衰变的中微子通量作为替代来源。
• 考虑镜像中微子振荡为普通中微子，推导其理论通量上限。
• 利用中微子簇射诱导的射电辐射观测结果，对镜像中微子通量施加限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在重现观测到的UHECR通量的模型中，宇宙起源超GZK中微子的预测通量是多少？
• RQ2 具有更高最大加速能量的演化模型如何影响超GZK中微子的可探测性？
• RQ3 超重暗物质和拓扑缺陷可能产生的超GZK中微子最大通量是多少？
• RQ4 镜像中微子如何贡献于超GZK中微子通量？其通量受到何种限制？
• RQ5 当前观测约束，特别是来自射电辐射的约束，如何限制镜像中微子的通量？

主要发现

• 最大加速能量 E_max = 1×10²¹ eV 的无演化模型预测的超GZK中微子通量比观测到的UHECR通量低一个数量级。
• 最大加速能量 E_max = 1×10²³ eV 的演化模型产生显著更高的中微子通量，使其在10²⁰–10²¹ eV 能量范围内的下一代中微子探测器中可能被探测到。
• 具有非常平坦注入谱（例如 ∝ E⁻²）的模型产生最大的宇宙起源中微子通量。
• 在某些参数区域内，来自超重暗物质和拓扑缺陷的中微子通量可超过宇宙起源过程的通量。
• 镜像中微子在所有考虑的来源中可能产生最高的通量，但其通量受到中微子簇射诱导的射电辐射观测的限制。
• 镜像中微子通量的理论上限较弱，但当前来自射电数据的观测限制是最有效的约束手段。