[论文解读] EeV neutrinos associated with UHECR sources

Zhuo Li, Eli Waxman|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2007

Noncommutative and Quantum Gravity Theories参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文提出了一种检测来自极高能宇宙射线（UHECR）源（如伽马射线暴，GRBs）的EeV中微子的新机制，其中高能光子因Klein-Nishina抑制而逃逸源区，并通过与宇宙微波背景（CMB）的相互作用产生μ子对。这些μ子衰变产生与源方向和时间相关联的高能中微子，其通量可达Waxman-Bahcall界限的百分之几，从而实现对UHECR源的直接识别，并对量子引力诱导的洛伦兹对称性破坏进行严格检验。

ABSTRACT

Electromagnetic energy losses of charged pions and muons suppress the expected high energy, >1E18 eV, neutrino emission from sources of ultrahigh energy, >1E19 eV, cosmic-rays. We show here that >1E19 eV photons produced in such sources by neutral pion decay may escape the sources, thanks to the Klein-Nishina suppression of the pair production cross section, and produce muon pairs in interactions with the cosmic microwave background. The flux of muon decay neutrinos, which are expected to be associated in time and direction with the electromagnetic emission from the sources, may reach a few percent of the Waxman-Bahcall bound. Their detection may allow one to directly identify the sources of >1E19 eV cosmic-rays, and will provide the most stringent constraints on quantum-gravity-induced Lorentz violation.

研究动机与目标

• 识别一种与UHECR源相关的新型、未被抑制的高能中微子源，克服由π介子和μ子能量损失带来的限制。
• 证明高能光子（>10^19 eV）可因对产生过程的Klein-Nishina抑制而逃逸UHECR源，即使在强辐射场中亦然。
• 表明这些逃逸光子可与宇宙微波背景（CMB）相互作用产生μ子对，进而产生可探测的EeV中微子。
• 通过时间与方向的相关性，实现中微子与UHECR源的直接关联，且不受磁场偏转影响。
• 提供一种利用EeV中微子相对于GRB光子的时间延迟测量，检验量子引力诱导的洛伦兹不变性破坏的路径。

提出的方法

• 使用相对论运动学和质心系框架，建模高能光子（>10^19 eV）与CMB光子相互作用中的μ子对产生截面。
• 使用逆平均自由程公式（式1）计算μ子对产生的光学深度，考虑热CMB谱和能量依赖的截面。
• 应用Klein-Nishina抑制，表明能量高于~10^19 eV的光子在UHECR源中呈光学薄，即使在强辐射场中亦可逃逸。
• 估计光子能量转化为μ子的比例（f_μ ≈ 0.03–0.1），并基于约2%的UHECR能量转化为中微子的假设，估算μ子衰变产生的中微子通量。
• 考虑中微子振荡，预测地球处的味比为0.4:0.3:0.3（ν_e:ν_μ:ν_τ），与π介子衰变产生的1:1:1比例不同。
• 利用ARIANNA（一种对EeV中微子敏感的中微子望远镜）评估可探测性，并评估洛伦兹不变性破坏的时间延迟特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 在强烈的辐射场中，高能光子（>10^19 eV）是否可因Klein-Nishina抑制而逃逸UHECR源？
• RQ2 这些逃逸光子在与CMB相互作用时，能在多大程度上产生μ子对？
• RQ3 通过此机制，UHECR能量中有多大比例可转化为可探测的EeV中微子？
• RQ4 即使存在星系际磁场，这些中微子是否仍能与原始源在时间和方向上实现关联？
• RQ5 相对于GRB光子，这些中微子在时间延迟测量中对检验量子引力诱导的洛伦兹对称性破坏有多敏感？

主要发现

• 通过CMB相互作用，光子能量转化为μ子对的比例约为3–10%，在~10^20 eV能量下，μ子对产生的平均自由程约为~10^27 cm。
• 由μ子衰变产生的中微子通量可达Waxman-Bahcall界限的约2%，显著高于内部π介子衰变所导致的被抑制通量。
• 在红移z=1的源处，地球处的特征中微子能量约为~3×10^17 eV，且该能量以下的通量被强烈抑制。
• 地球处的中微子味比预测为0.4:0.3:0.3（ν_e:ν_μ:ν_τ），与π介子衰变产生的1:1:1比例不同，这是由于振荡效应所致。
• GRB光子与EeV中微子之间的时间延迟在星系际磁场<1 nG时预计小于1 ms，可实现对洛伦兹不变性破坏的精确检验。
• 即使在GRB发生数年后才探测到单个EeV中微子，仍可将其与该爆发关联，从而实现高精度的时间延迟测量，用于约束量子引力效应。