[論文レビュー] Ultrahigh Energy Neutrinos and Cosmic Rays as Probes of New Physics

G. Sigl|ArXiv.org|Sep 21, 2001

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 5被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、崩壊する超重い粒子またはトポロジカルな欠陥を含むトップダウン（TD）シナリオを用いて、電弱スケールを超える新しい素粒子物理学を探索するための超高エネルギー（UHE）宇宙線およびニュートリノの可能性を調査する。このようなモデルが、特に残響ニュートリノが集積している場合に検出可能なUHEニュートリノフラックスを生成できることを示し、km³スケールのニュートリノ検出器が10¹⁹ eVを超えるエネルギーで10¹⁹ eV以上のイベントレートを観測できることを示しており、最高エネルギー宇宙線の起源と新しい素粒子物理学を制約する道筋を提供する。

ABSTRACT

Cosmic high energy neutrinos are inextricably linked to the origin of cosmic rays which is one of the major unresolved questions in astrophysics. In particular, the highest energy cosmic rays observed possess macroscopic energies and their origin is likely to be associated with the most energetic processes in the Universe. Their existence triggered a flurry of theoretical explanations ranging from conventional shock acceleration to particle physics beyond the Standard Model and processes taking place at the earliest moments of our Universe. Furthermore, many new experimental activities promise a considerable increase of statistics at the highest energies and a combination with gamma-ray and neutrino astrophysics will put strong constraints on these theoretical models. The detection of ultra high energy neutrinos in particular is made likely by new experimental techniques and will open an important new channel. We give an overview over this quickly evolving field with special emphasize on new experimental ideas and possibilities for probing new physics beyond the electroweak scale.

研究の動機と目的

• 超高エネルギー（UHE）宇宙線およびニュートリノが、標準模型を超える新しい素粒子物理学の探査にどのように寄与するかを検討すること。
• 崩壊する超重い粒子またはトポロジカルな欠陥を含むトップダウン（TD）シナリオが、UHE宇宙線およびニュートリノの源としてどのように機能するかを調査すること。
• 次世代のkm³スケールニュートリノ検出器におけるUHEニュートリノの検出可能性を評価すること。
• UHEニュートリノ、光子、宇宙線フラックスの相互作用を用いて、新しい素粒子物理学モデルを制約すること。
• 残響ニュートリノの集積および銀河間磁場が検出可能なフラックスに与える影響を評価すること。

提案手法

• 超重い粒子（X）がニュートリノ・アンチニュートリノ対に崩壊するトップダウン（TD）シナリオの理論的モデリングを用い、分岐比 r ≫ 1 または r ≈ 1 の場合を想定する。
• ニュートリノの伝播および相互作用モデル（宇宙マイクロ波背景（CMB）および残響ニュートリノ背景（RNB）との相互作用を含む）を適用し、フラックスを計算する。
• 粒子カスケードおよびフラックスの進化を数値的にシミュレートし、伝播中のエネルギー損失および減衰効果を組み込む。
• 観測されたUHECRフラックス、EGRETガンマ線データ、ニュートリノ質量の制限を統合し、妥当なパrameter空間を制限する。
• 残響ニュートリノの集積（約500万光年スケールで密度が約50倍）が検出可能なニュートリノフラックスを増幅させることの影響を検討する。
• エネルギー保存則およびフラックス正規化を用いて、分岐比 r の下限を導出し、検出可能なニュートリノ率とUHECR観測結果を結びつける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 崩壊する超重い粒子またはトポロジカルな欠陥を含むトップダウンモデルが、観測された超高エネルギー宇宙線フラックスを説明できるか？
• RQ2 このようなトップダウンシナリオから予想されるUHEニュートリノフラックスは何か？また、ニュートリノ質量および集積の影響は何か？
• RQ3 EGRETなどによる銀河間ガンマ線背景の制限が、トップダウンモデルのパラメータ空間にどのように制限を加えるか？
• RQ4 km³スケールの検出器におけるUHEニュートリノの検出可能性は何か？また、分岐比 r および源の集積にどのように依存するか？
• RQ5 UHEニュートリノの観測が、特定の素粒子物理学モデルに依存せずに分岐比 r の下限を直接得られるか？

主な発見

• 分岐比 r ≫ 1 で、かつ顕著な残響ニュートリノの集積が起こるトップダウンモデルでは、km³スケール検出器で検出可能なUHEニュートリノフラックスを生成でき、10¹⁹ eVを超えるエネルギーで観測可能なイベントレートが得られる可能性がある。
• m_X = 10¹⁴ GeV で r = 1 のモデルでは、予想されるニュートリノフラックスは普遍的宇宙生成フラックス（Nγ）と同等になるため、次世代実験でさえも検出は極めて困難である。
• 残響ニュートリノ背景とのニュートリノ相互作用から生じる二次的ガンマ線フラックスがEGRETの制限を超えないようにする必要があるため、r ≫ 1 のモデルは強く制限される。
• 強い集積が起こる状況では、均一な場合に比べてニュートリノフラックスが最大で約50倍に増幅され、検出可能性が向上する。
• UHEニュートリノの検出は、エネルギー保存則を用いて、特定の素粒子物理学モデルに依存せずに分岐比 r の直接的な下限を提供する。
• 近距離の源（約100 Mpc以内）からの一時的バーストは、特に銀河間磁場が弱いかつ10⁻¹⁵ G未満の場合、ニュートリノ、ガンマ線、核子フラックスに観測可能なパulsesを生じる可能性がある。