[论文解读] Exploring the Ultrahigh Energy Neutrino Universe

D. Cline, F. W. Stecker|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2000

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 9

一句话总结

本文提出利用基于卫星的光学探测器（OWL/AirWatch）通过大气簇射产生的切伦科夫辐射观测超高能中微子，从而开启研究宇宙中微子源和早期宇宙物理的新窗口。该研究预测，来自GUT尺度源的电子中微子事件率可达每年5–16起，来自活动星系核的tau中微子事件率可达每年数百起，为大统一理论和暗物质物理提供证据。

ABSTRACT

Astronomy at the highest energies observed must be performed by studying neutrinos rather than photons because the universe is opaque to photons of these energies. By making observations of neutrinos with energies above 10 EeV one can deduce information about the distribution and cosmological history of cosmic rays which may have been accelerated to energies above 100 EeV. Very large fluxes of neutrinos at these energies which exhibit a hard spectrum would be evidence of a GUT phase transition or superheavy dark matter particles. Neutrinos at energies around a PeV may be produced in observable quantities in active galaxies from the acceleration and interactions of cosmic rays in the vicinity of massive black holes or in relativistic jets produced by these black holes. Cosmological gamma-ray bursts may also produce PeV neutrinos. Neutrinos at these energies may oscillate into tau neutrinos which can travel through the Earth by the process of regeneration and produce upward moving air-showers. Neutrinos of energies above of 1000 EeV can produce ultrahigh energy cosmic rays thorugh interactions with big-bang neutrinos, producing Z bosons. This "Z-burst" phenomenon can be used to study the mass and distribution of big-bang neutrinos.

研究动机与目标

• 探索超高能中微子宇宙，作为宇宙射线起源和极端天体物理过程的探针。
• 通过探测超高能中微子，检验大统一理论（GUTs）和早期宇宙暴胀的预测。
• 研究拓扑缺陷和超重暗物质粒子作为超高能中微子源的作用。
• 开发基于卫星的探测方法，通过切伦科夫辐射探测向上运动的中微子诱发大气簇射。
• 利用地球作为滤波器，实现长 baseline 中微子振荡研究，探测tau中微子。

提出的方法

• 利用环绕地球运行的广角光收集器（OWL/AirWatch）探测由超高能中微子在地球大气层中引发的簇射所产生的切伦科夫辐射。
• 利用地壳作为中微子相互作用靶，能量高于~10⁵ GeV的中微子可通过tau中微子再生产生向上运动的簇射。
• 应用中微子孔径概念，即有效探测面积经中微子截面和能量相关效率归一化，估算事件率。
• 使用蒙特卡洛模拟建模中微子相互作用特征，并区分电子中微子带电流事例与其他通道。
• 将来自GUT尺度拓扑缺陷、UHE质子–CMB相互作用及Z玻色子衰变机制的预测中微子通量与探测器响应函数相结合。
• 利用地球质量作为靶，10⁶ km²视场在10⁶ GeV能量下可提供约10¹⁴吨的有效靶质量。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用基于卫星的切伦科夫仪器探测来自GUT尺度拓扑缺陷或早期宇宙暴胀的超高能中微子？
• RQ2 使用OWL/AirWatch概念探测来自UHE质子–CMB相互作用的电子中微子，其预期事件率是多少？
• RQ3 能否通过低阈值卫星探测器观测到在地球内部通过tau中微子再生产生的向上运动簇射？
• RQ4 中微子截面和振荡效应如何影响活动星系核和宇宙学中微子源的可探测性？
• RQ5 超高能中微子与2 K宇宙残留中微子背景的相互作用能否用于探测宇宙中微子背景的质量和分布？

主要发现

• 预测OWL/AirWatch仪器每年可探测到约5个电子中微子事件，来自能量高于3×10¹⁰ GeV的UHE质子–CMB相互作用。
• 拓扑缺陷衰变产物通量可能带来每年最多16个电子中微子事件，为大统一理论提供潜在证据。
• 假设存在类似Super-Kamiokande的μ子中微子到tau中微子振荡，预测每年可探测到数百个来自活动星系核的tau中微子事件。
• 在10⁶ GeV能量下，地壳中微子相互作用的有效靶质量可达约10¹⁴吨，实现高灵敏度探测。
• 向上簇射的切伦科夫辐射阈值估计为≥10⁵ GeV，使低工作周期卫星任务实现高能中微子探测成为可能。
• 电子中微子的中微子孔径在3×10¹⁰ GeV能量下估计为20 km²-ster，随能量按Eν^0.363规律变化。