[论文解读] High-energy cosmic neutrinos as a probe of the vector mediator scenario in light of the muon $g-2$ anomaly and Hubble tension

Jose Carpio, Kohta Murase+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 5

一句话总结

本文研究了规范化的 $L_\mu - L_\tau$ 模型，作为统一解决μ子 $g-2$ 异常与哈勃张力问题的方案，表明冰立方（IceCube）探测到的高能宇宙中微子可通过隐秘中微子自相互作用来探测该情景。分析揭示了一个偏好区域，其媒介粒子质量 $m_{Z'} \sim 10$ MeV，耦合常数 $g_{\mu\tau} \sim 0.1$，该区域与同时解释两种异常的参数空间重叠。预计冰立方-二代（IceCube-Gen2）将能够检验该模型，同时将总中微子质量约束在 $0.06~{\rm eV} \lesssim \Sigma m_\nu \lesssim 0.3~{\rm eV}$ 之间。

ABSTRACT

In light of the recent Muon $g-2$ experiment data from Fermilab, we investigate the implications of a gauged $L_μ - L_τ$ model for high energy neutrino telescopes. It has been suggested that a new gauge boson at the MeV scale can both account for the Muon $g-2$ data and alleviate the tension in the Hubble parameter measurements. It also strikes signals at IceCube from the predicted resonance scattering between high-energy neutrinos and the cosmic neutrino background. We revisit this model based on the latest IceCube shower data, and perform a four-parameter fit to find a preferred region. We do not find evidence for secret interactions. The best-fit points of $m_{Z'}$ and $g_{μτ}$ are $\sim10$~MeV and $\sim0.1$, respectively, depending on assumptions regarding the absolute neutrino masses, and the secret interaction parameter space allowed by the observed IceCube data overlaps with the regions of the parameter space that can explain the muon $g-2$ anomaly and Hubble tension as well. We demonstrate that future neutrino telescopes such as IceCube-Gen2 can probe this unique parameter space, and point out that successful measurements would infer the neutrino mass with $0.06~{ m eV}\lesssim Σm_ν\lesssim 0.3~{ m eV}$.

研究动机与目标

• 测试规范化的 $L_\mu - L_\tau$ 模型是否可被用于解释μ子 $g-2$ 异常与哈勃张力的模型，通过高能宇宙中微子数据进行检验。
• 评估当前冰立方簇射数据对质量范围在 MeV 量级的 $Z'$ 玻色子介导的隐秘中微子自相互作用的敏感度。
• 确定结合冰立方数据、μ子 $g-2$ 结果与哈勃参数约束，能否对绝对中微子质量尺度施加非平凡的限制。
• 预测未来中微子望远镜（特别是冰立方-二代）对由 $g-2$ 与哈勃张力异常所青睐的参数空间的探测能力。

提出的方法

• 使用6年冰立方簇射数据对四个参数进行拟合，以约束 $m_{Z'}$、$g_{\mu\tau}$ 及中微子质量参数。
• 通过一个由 $Z'$ 介导的隐秘相互作用，建模高能宇宙中微子与宇宙中微子背景之间的共振散射。
• 应用似然分析，将 $Z'$ 模型与零假设进行比较，重点关注指示自相互作用的能谱凹陷。
• 评估系统效应（如能量沉积效率低下与大气背景）的影响，重点关注其对凹陷特征检测的影响。
• 通过与非簇射模拟的对比，评估上散射与簇射效应的作用，以验证所选参数区域的稳健性。
• 对未来冰立方-二代的探测能力进行预测，假设其可探测到凹陷特征并确认所青睐的参数空间。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用冰立方探测到的高能宇宙中微子数据，测试能够解释μ子 $g-2$ 异常与哈勃张力的 $L_\mu - L_\tau$ 模型？
• RQ2 当前冰立方簇射数据所约束的 $m_{Z'}$ 与 $g_{\mu\tau}$ 的偏好参数区域为何？
• RQ3 隐秘中微子自相互作用所允许的参数空间与解释μ子 $g-2$ 异常及缓解哈勃张力所需的参数空间重叠程度如何？
• RQ4 未来中微子望远镜（如冰立方-二代）能否探测到所青睐的参数区域，并证实存在质量 $m_{Z'} \sim 10$ MeV、耦合常数 $g_{\mu\tau} \sim 0.1$ 的 $Z'$ 玻色子？
• RQ5 结合冰立方、μ子 $g-2$ 与哈勃参数测量数据，可对总中微子质量 $\Sigma m_\nu$ 施加何种约束？

主要发现

• 当前冰立方6年簇射数据未显示出隐秘相互作用的显著证据，但最佳拟合参数为 $m_{Z'} \sim 10$ MeV 与 $g_{\mu\tau} \sim 0.1$，具体取决于对绝对中微子质量的假设。
• 冰立方数据所允许的参数空间与能解释μ子 $g-2$ 异常并缓解哈勃张力的区域重叠，表明该模型具有一致性且可被检验。
• 预计冰立方-二代将能探测到所青睐的参数区域，对由 $Z'$ 介导的中微子自相互作用引起的能谱凹陷具有敏感度。
• 若该模型得到证实，将可将总中微子质量约束在 $0.06~{\rm eV} \lesssim \Sigma m_\nu \lesssim 0.3~{\rm eV}$ 之间，为宇宙学与实验室测量提供关键交叉验证。
• 分析表明，中微子能谱中的凹陷特征对能量沉积效率低下与大气背景等系统效应具有鲁棒性，尽管簇射效应最多会使信号减弱两倍。
• 本研究证实，多信使观测（包括来自隐秘散射的BFS中微子回声）可独立于天体物理源不确定性进一步检验该模型。