[论文解读] IceCube Neutrino Initiated Cascade Events: PeV Electron-antineutrinos at Glashow Resonance

V. Barger, J. G. Learned+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2012

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 2

一句话总结

该论文提出，冰立方探测到的两个佩维特级级联事例源于能量为6.3佩维特的电子反中微子，这些反中微子由宇宙射线与宇宙微波背景辐射相互作用后经中微子振荡产生。这些反中微子通过格拉肖共振（W玻色子产生）与电子发生共振湮灭，随后W玻色子衰变为轻子（电子/陶子），产生观测到的佩维特级联事例，为超高能宇宙射线与中微子产生之间提供了可检验的联系。

ABSTRACT

We propose an interpretation of the two neutrino initiated cascade events with PeV energies observed by IceCube: Ultra-high energy cosmic ray protons (or Fe nuclei) scatter on CMB photons through the Delta-resonance (the Berezinsky-Zatsepin process) yielding charged pions and neutrons. The neutron decays give electron-antineutrinos which undergo neutrino oscillations to populate all antineutrino flavors, but the electron-antineutrino flux remains dominant. At 6.3 PeV electron-antineutrino energy their annihilation on electrons in the IceCube detector is enhanced by the Glashow resonance (the W-boson) whose decays can give the PeV showers observed in the IceCube detector. The two observed showers with ~1 PeV energies would need to be from W leptonic decays to electrons and taus. An order of magnitude higher event rate of showers at 6.3 PeV is predicted from W to hadron decays. This interpretation can be tested in the near term. It has significant physics implications on the origin of the highest energy cosmic rays, since neutrino events and cosmic ray events likely share a common origin.

研究动机与目标

• 解释冰立方在约1佩维特能量下观测到的两个高能级联事例的起源。
• 研究这些事例是否源于能量为6.3佩维特的格拉肖共振能区的电子反中微子。
• 检验超高能宇宙射线（质子或铁核）通过宇宙微波背景辐射中的贝雷津-扎采平过程产生这些中微子的假设。
• 探讨该机制对最高能宇宙射线天体物理起源的启示。

提出的方法

• 通过Δ共振（贝雷津-扎采平过程）模拟超高能宇宙射线质子或铁核与宇宙微波背景辐射光子的相互作用。
• 计算产生的带电π介子和中子，其中中子衰变产生电子反中微子。
• 应用中微子振荡理论确定中微子味组成，表明在高能区电子反中微子仍占主导。
• 评估在6.3佩维特能量下电子反中微子与电子通过格拉肖共振（W玻色子产生）发生湮灭的截面。
• 模拟所产生W玻色子的衰变道，重点研究轻子衰变（W→e⁻ν̄ₑ，W→τ⁻ν̄_τ）以产生可探测的佩维特级联事例。
• 预测强子衰变道的事件率，预计其比轻子衰变道高一个数量级。

实验结果

研究问题

• RQ1 冰立方观测到的两个佩维特级联事例能否由能量为6.3佩维特的格拉肖共振能区的电子反中微子解释？
• RQ2 这些高能电子反中微子的天体物理起源是什么？它们如何由宇宙射线与宇宙微波背景辐射的相互作用产生？
• RQ3 中微子振荡在多大程度上保持了6.3佩维特能量下电子反中微子通量的主导地位？
• RQ4 在6.3佩维特能量下，W玻色子衰变为轻子（电子/陶子）的预期事件率是多少？与观测到的级联事例相比如何？
• RQ5 该机制能否为超高能宇宙射线与观测到的佩维特中微子事例提供共同的起源？

主要发现

• 观测到的两个佩维特级联事例与6.3佩维特能量下电子反中微子在格拉肖共振能区的湮灭产生的W玻色子衰变一致。
• 6.3佩维特能量的电子反中微子通过超高能宇宙射线与宇宙微波背景辐射光子的贝雷津-扎采平过程产生。
• 相互作用产物中的中子衰变导致电子反中微子通量在中微子振荡后仍占主导地位。
• 在6.3佩维特能量下，W→轻子衰变（电子/陶子）的预测事件率与冰立方观测到的级联事件率相符。
• 预计W→强子衰变的事件率高出一个数量级，提供了关键的可检验预测。
• 该情景暗示了最高能宇宙射线与观测到的佩维特中微子事例具有共同的天体物理起源。