[论文解读] The pros and cons of beyond standard model interpretations of ANITA events

L. Anchordoqui, Ignatios Antoniadis+12 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2019

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 12被引用 4

一句话总结

本文评估了对 ANITA 检测到的两个异常 500 PeV 大气簇射事件的超出标准模型（BSM）解释，这些事件似乎以较大的仰角从南极冰层中射出。研究考察了三类模型——被地球捕获的 BSM 粒子、中微子引发的 BSM 粒子，以及宇宙学来源——发现尽管某些模型可拟合数据，但它们受到 IceCube 和 Auger 未观测到类似事件的强烈约束，必须通过极端微调或非标准物理才能保持可行性。

ABSTRACT

The Antarctic Impulsive Transient Antenna (ANITA) experiment has observed two air shower events with energy $\sim 500~{ m PeV}$ emerging from the Earth with exit angles $\sim 30^\circ$ above the horizon. As was immediately noted by the ANITA Collaboration, these events (in principle) could originate in the atmospheric decay of an upgoing $τ$-lepton produced through a charged current interaction of a $ν_τ$ inside the Earth. However, the relatively steep arrival angles of these perplexing events create tension with the standard model (SM) neutrino-nucleon interaction cross section. Deepening the conundrum, the IceCube neutrino telescope and the Pierre Auger Observatory with substantially larger exposures to cosmic $ν_τ$'s in this energy range have not observed any events. This lack of observation implies that the messenger particle (MP) giving rise to ANITA events must produce an air shower event rate at least a factor of 40 larger than that produced by a flux of $τ$-neutrinos to avoid conflicts with the upper limits reported by the IceCube and the Pierre Auger collaborations. In addition, the sensitivity of ANITA to MP-induced events must be comparable to or larger than those of IceCube and Auger to avoid conflict with the non-observation of any signal at these facilities. Beyond SM interpretations of ANITA events can be classified according to whether the MPs: (i) live inside the Earth, (ii) originate in neutrino-nucleon collisions inside the Earth, (iii) come from cosmological distances. In this communication we investigate the positive and negative facets of these three classes of models.

研究动机与目标

• 评估 ANITA 在大出射角（~30°）观测到的两个异常 500 PeV 大气簇射事件的超出标准模型（BSM）解释的可行性。
• 研究 ANITA 观测到的事件与 IceCube 和 Pierre Auger 观测所未观测到的类似事件之间的张力。
• 对三类 BSM 模型进行分类与评估：(i) 地球内部存在的粒子，(ii) 通过中微子-核子碰撞产生的粒子，以及 (iii) 异常粒子的宇宙学来源。
• 确定 BSM 模型避免与现有实验上限冲突所需的通量增强和探测效率。
• 识别关键挑战，如微调、相干性损失，以及与银河系中心信号的方向不一致性。

提出的方法

• 将 BSM 模型分为三类：(i) 在地球中长期存在的粒子，(ii) 通过中微子-核子相互作用产生的粒子，以及 (iii) 如惰性中微子或 SHDM 衰变等宇宙学来源。
• 通过参数扫描评估不同出射角 α 下超对称粒子（如 sleptons）的存活率与探测概率，输入参数为：E = 5×10⁹ GeV，m = 800 GeV，cτ = 4 m。
• 应用 IceCube 和 Auger 的探测曝光量约束，要求 BSM 事件率至少为 τ 中微子通量的 40 倍，以避免与上限冲突。
• 评估波形和偏振角与过渡辐射或次表层反射等替代解释的一致性，发现其与数据存在矛盾。
• 评估惰性中微子和 SHDM 衰变模型的可行性，要求通量饱和 IceCube 限制，且混合角避免趋于零。
• 考虑奇异弱相互作用粒子产生的 Askaryan 辐射作用，指出其可解释波形，但除非存在奇异相互作用，否则无法解释偏振特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否用地球中长期存在、受引力束缚的 BSM 粒子来解释 ANITA 的两个能量和出射角相近的事件？
• RQ2 IceCube 和 Auger 的未观测结果对预测事件率高于标准 τ 中微子通量的 BSM 模型施加了何种约束？
• RQ3 基于反射（如次表层反射或过渡辐射）的解释能否在匹配观测到的偏振和脉冲形状的同时解释 ANITA 事件？
• RQ4 如惰性中微子或 SHDM 衰变等宇宙学 BSM 来源能否产生与 ANITA 观测结果和 IceCube 上限一致的通量？
• RQ5 是否存在指向银河系中心的方向性信号（例如），可作为 SHDM 衰变模型的决定性证据？ANITA 事件是否表现出此类模式？

主要发现

• 对于能量 E = 5×10⁹ GeV、质量 m = 800 GeV、cτ = 4 m 的超对称粒子（如 stau），在出射角 α ≈ 34° 时，探测到 ANITA 事件的概率最大，约为 p_event ≈ 0.22%。
• 为避免与 IceCube 和 Auger 冲突，BSM 模型必须预测的事件率至少为 τ 中微子通量的 40 倍。
• 要求 SHDM 衰变为惰性中微子的模型，其 m₄ ≳ 1 keV 且混合角 sin²ϑ ≲ 0.01，才能饱和 IceCube 对 ν₄ 通量的限制。
• 在拟合 ANITA 参数的条件下，IceCube 预测的事件率约为观测值的 6 倍，表明存在张力，除非通量被抑制或模型进行微调。
• 基于反射的解释（如次表层反射或过渡辐射）与观测到的偏振角和脉冲形状不一致，特别是与 30–80 MHz 脉冲的 15:1 带宽比和同相特性存在矛盾。
• 没有 ANITA 事件指向银河系中心，除非衰变产物高度各向异性，否则可排除 SHDM 衰变为来源，而这种各向异性并未被观测到。