[论文解读] New limits on neutrino decay from the Glashow resonance of high-energy cosmic neutrinos

Mauricio Bustamante|arXiv (Cornell University)|Apr 15, 2020

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文利用冰立方中首次观测到的格拉肖共振候选事例（6.3 PeV 反电子中微子事件）对宇宙中微子质量本征态 ν₁ 和 ν₂ 的寿命设定了新的下限，方法基于其衰变为 ν₃。该方法利用了若 ν₁ 和 ν₂ 显著衰变，则剩余通量将缺乏足够的电子味成分以触发格拉肖共振；因此，仅观测到一个此类事例即可对它们的寿命构成约束，其中 ν₂ 的限制为当前最佳，而 ν₁ 的限制也已接近该水平。

ABSTRACT

Discovering neutrino decay would be strong evidence of new physics. Presently, there are only lax lower limits on the lifetime $ au$ of neutrinos, of $ au/m > 10^{-3}$ s eV$^{-1}$ or worse, where $m$ is the neutrino mass. Fortunately, TeV-PeV cosmic neutrinos offer superior sensitivity to decay due to their cosmological-scale baselines. We employ a promising method, recently proposed, that uses the Glashow resonance $\bar{ u}_e + e o W$, triggered by $\bar{ u}_e$ of 6.3 PeV, to test decay with only a handful of detected events. Based on the recent detection of the first Glashow resonance candidate in IceCube, we place new lower limits on the lifetimes of $ u_1$ and $ u_2$ in the inverted mass ordering. For $ u_2$, our limit is the current best. For $ u_1$, our limit is close to the current best and will surpass it soon.

研究动机与目标

• 约束高能宇宙中微子 ν₁ 和 ν₂ 的寿命，它们是标准模型之外物理学的候选者。
• 利用 6.3 PeV 处的格拉肖共振（ν̄ₑ + e⁻ → W⁻）作为探测中微子衰变的探针，因为衰变为 ν₃ 会抑制共振信号。
• 利用冰立方中首次观测到的格拉肖共振候选事例（4.6 年数据）推导出保守的、与模型无关的 ν₁ 和 ν₂ 寿命下限。
• 预测未来冰立方和 IceCube-Gen2 的灵敏度，假设探测到 2–4 个格拉肖共振事例。

提出的方法

• 该方法依赖于格拉肖共振，其截面在 6.3 PeV 时比标准 νN 散射大近 200 倍，使其成为高能宇宙中微子的敏感探针。
• 若 ν₁ 和 ν₂ 衰变为稳定的 ν₃，则其电子味成分被抑制，导致通量无法产生格拉肖共振事例；因此，观测到此类事例意味着并非所有 ν₁ 和 ν₂ 都已衰变。
• 采用贝叶斯分析方法，基于冰立方 4.6 年数据中观测到的单个格拉肖共振候选事例，混合参数采用 NuFit 4.1 全局拟合结果作为先验，对中微子寿命采用宽泛先验。
• 分析考虑了探测器效应、粒子物理不确定性（混合角、CP 相位）以及天体物理通量参数，以确保限制结果保守。
• 投影限制基于假设在冰立方中探测到 2–4 个格拉肖共振事例，在未来 IceCube-Gen2 中探测到 2 个事例，混合参数固定在最佳拟合值。
• 从寿命限制推导出与新轻玻色子的等效耦合（标量 + 轴矢量）上限，假设质量为层级模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 冰立方中首次观测到的格拉肖共振候选事例能否用于约束宇宙 ν₁ 和 ν₂ 的寿命？
• RQ2 所得限制与太阳中微子实验的现有约束相比如何？
• RQ3 未来探测到更多格拉肖共振事例后，灵敏度预计会提升多少？
• RQ4 中微子混合参数和天体物理通量的不确定性如何影响推导出的寿命边界？
• RQ5 这些结果对涉及新轻玻色子的中微子衰变模型有何启示？

主要发现

• 在冰立方 4.6 年数据中观测到的格拉肖共振候选事例，为 ν₂ 寿命设定了当前最佳的下限，90% 置信水平下 τ₂/m₂ > 10^6.81 s/eV。
• 对于 ν₁，其限制为 τ₁/m₁ > 10^8.03 s/eV（90% 置信水平），与太阳中微子实验迄今最佳限制相当。
• 若探测到第二个格拉肖共振事例，ν₁ 的寿命限制将提升一个以上数量级，超越当前约束。
• 假设在冰立方中探测到 2 个格拉肖共振事例（9.2 年），ν₁ 的限制将提升至 τ₁/m₁ > 10^6.81 s/eV，ν₂ 的限制也将达到 τ₂/m₂ > 10^6.81 s/eV，IceCube-Gen2 还将带来进一步提升。
• ν₁ 对新轻玻色子的联合耦合在 90% 置信水平下的上限为 4.77×10⁻⁶ (eV/m₁)，若探测到两个事例则提升至 3.17×10⁻⁷ (eV/m₁)。
• ν₂ 的耦合上限为 7.24×10⁻⁶ (eV/m₂)，若探测到两个事例则提升至 4.41×10⁻⁶ (eV/m₂)，在 ν₂ 情况下优于太阳中微子实验的约束。