[论文解读] Gamma--Ray Bursters, Neutrinos, and Cosmology

T. Weiler, Simmons, W. A.+2 more|ArXiv.org|Nov 30, 1994

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 1被引用 6

一句话总结

本文提出伽马射线暴（GRB）源可能发射高能中微子，从而通过中微子味比、时间延迟和振荡长度实现非电磁宇宙学测量。研究表明，GRB中微子可探测中微子性质，检验基础物理（如弱等效原理、常数变化），并实现高达10⁵ Mpc的宇宙学距离测量；若中微子流量与伽马射线流量相当或更高，则在计划中的望远镜中可实现探测。

ABSTRACT

Gamma ray burst (GRB) objects are now widely thought to be at cosmological distances, and thus represent enormous energy emission. Gamma ray spectra extending to $GeV$ energies suggest the possiblity of accompanying neutrino emission, and there are several models proposed suggesting the potential detectability of such coincident neutrino bursts. With this in view, we examine possible measurements that might be conducted to give experimental data useful for astronomy, for cosmology and also neutrino properties. Of interest to astronomy and cosmology, we show how measurement of neutrino flavor ratios yields information on the nature and relative distance of the source. We point out that cosmological time dilation might be measured for these sources using neutrinos, as has been done for photons, and that neutrino oscillation lengths in the range of $1$ to $10^5~Mpc$ can be probed with GRB neutrinos. We thus note that these sources may make possible the first non-electromagnetic measurements of the scale size of the universe. We discuss tests of the weak equivalence principle, tests for flavor dependent gravitational couplings, and tests for long time scale variation of physical constants. We also show that a number of new bounds on neutrino properties (charge, mass, speed, lifetime) could be facilitated to levels well beyond those already inferred from the neutrino observation of SN1987A. We also examine the implications of these physics opportunities for designers of neutrino telescopes. We conclude that detection may be possible in planned instruments if the spectra are power law extending to the $TeV$ energy region, and if the neutrino fluxes are equal to or greater than the gamma ray fluxes. We emphasize the importance of low energy detection in future experiments

研究动机与目标

• 研究伽马射线暴（GRB）中微子作为探测宇宙学距离和中微子性质工具的潜力。
• 评估中微子味比和中微子信号中的宇宙学时间延迟如何揭示源特性与宇宙学参数。
• 探讨对基础物理的检验，包括弱等效原理、味依赖的引力耦合以及物理常数的时间变化。
• 评估在现实通量假设下，计划中的中微子望远镜探测GRB中微子的可行性。
• 确立GRB中微子可实现首次非电磁方式测量宇宙尺度大小。

提出的方法

• 通过GRB源的中微子味比分析推断源距离与本质，利用中微子振荡效应。
• 建模宇宙学时间延迟对中微子信号的影响，类比光子观测，以测量宇宙膨胀。
• 利用1至10⁵ Mpc范围内的中微子振荡长度探测中微子质量与混合参数。
• 应用高能现象学与广义相对论的理论框架，推导对中微子电荷、质量、速度和寿命的约束。
• 在幂律谱延伸至TeV能量、且中微子通量等于或大于伽马射线通量的假设下，评估在计划中的中微子望远镜中探测的可行性。
• 强调低能中微子探测对于提升对宇宙学与基础物理信号敏感度的重要性。

实验结果

研究问题

• RQ1 GRB中微子的味比能否提供关于源距离与本征性质的信息？
• RQ2 能否像光子一样，利用GRB中微子信号测量宇宙学时间延迟？
• RQ3 GRB中微子能否探测1至10⁵ Mpc范围内的中微子振荡长度，从而对中微子质量与混合施加约束？
• RQ4 GRB中微子能否用于检验弱等效原理与味依赖的引力耦合？
• RQ5 GRB中微子能否提供超越SN1987A结果的中微子电荷、质量、速度与寿命的新界限？

主要发现

• GRB中微子的味比可揭示源距离与本质，提供一种新颖的天体物理诊断手段。
• 可通过中微子信号测量宇宙学时间延迟，将光子观测中使用的方法拓展至非电磁探针。
• 1至10⁵ Mpc范围内的中微子振荡长度可通过GRB中微子实现，从而可直接探测中微子质量与混合参数。
• GRB中微子可实现首次非电磁方式测量宇宙尺度大小。
• 可建立显著超越SN1987A结果的中微子电荷、质量、速度与寿命的新界限。
• 若中微子能谱延伸至TeV能量且通量等于或大于伽马射线通量，则探测在计划中的中微子望远镜中是可行的。