[论文解读] On ANITA's sensitivity to long-lived, charged massive particles

A. Connolly, P. Allison+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2018

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 21被引用 8

一句话总结

本文提出，ANITA 实验可通过探测长寿命带电大质量粒子（CHAMPs），如超对称的 selectron，来探测其在穿越地球后衰变产生的广延空气簇射。模拟结果表明，在 10^18.5 eV 中微子能量下，ANITA 可对约 1 TeV 质量和 10 ns 寿命的 selectron 参数施加约束，探测超出 LHC 能力范围的新物理。

ABSTRACT

We propose that the Antarctic Impulsive Transient Antenna (ANITA) can serve as a detector for long-lived, charged particles, through its measurement of extensive air showers from secondary leptons. To test this on an example model, we simulate the production of staus inside the earth from interactions between ultra-high energy neutrinos and nuclei. We propose that results of ANITA searches for upgoing air showers can be interpreted in terms of constraints on long-lived, charged massive particles (CHAMPs) and consider a supersymmetric partner of the tau lepton, the stau, as an example of such a particle. Exploring the parameter space in stau mass and lifetimes, we find that the stau properties that lead to an observable signal in ANITA are highly energy dependent. At $10^{18.5}$ eV, we find that the best constraints on the product of the neutrino flux and the stau production cross section would be placed near $m_{ ildeτ}=$1 TeV and $τ_{ ildeτ}=$10 ns. Thus ANITA could be sensitive to new physics in a region of parameter space that is unconstrained by experiments at the Large Hadron Collider.

研究动机与目标

• 探索 ANITA 作为长寿命带电大质量粒子（CHAMPs）探测器的潜力，例如 selectron，超越其作为超高能中微子望远镜的主要角色。
• 研究通过超高能中微子-核子相互作用在地球内部产生的 CHAMPs 是否能产生 ANITA 可探测的广延空气簇射（EAS）。
• 量化 ANITA 在不同 selectron 质量和寿命下的探测灵敏度，尤其关注 LHC 无法探测的参数区域。
• 评估 CHAMP 诱导的空气簇射是否可解释 ANITA 报告的向上事例，特别是入射角较陡的事件。
• 评估 ANITA 独特观测几何结构在探测高能、长寿命粒子方面的几何与运动学优势。

提出的方法

• 在 10^18.5 eV 和 10^19 eV 能量下，模拟 selectron 通过超高能中微子-核子相互作用在地球内部的产生过程。
• 利用路径长度函数 dP_decay/dx 的微分衰变概率，建模 selectron 穿越地球时的能量损失与洛伦兹因子降低。
• 基于衰变位置和能量沉积，计算 selectron 衰变产生广延空气簇射（EAS）并超过 ANITA 检测阈值的概率。
• 利用 ANITA 对 EAS 产生的水平极化射电信号的已知灵敏度，估算来自 CHAMP 衰变的向上簇射的可探测性。
• 比较不同入射角（如 6.5° 与 35°）下的信号概率，评估天空中不同方向的角向偏差与可探测性。
• 应用空气簇射射电辐射的几何与运动学模型，考虑大气密度和薄空气中的簇射发展过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 ANITA 能否通过 CHAMP 衰变产生的次级广延空气簇射探测长寿命带电大质量粒子（CHAMPs），如 selectron？
• RQ2 在超高能中微子通量和截面约束下，ANITA 探测 selectron 的最优参数空间（质量与寿命）是什么？
• RQ3 CHAMP 诱导的空气簇射机制是否更有利于探测入射角较陡的事件，从而可能解释 ANITA 报告的向上事例？
• RQ4 ANITA 对 CHAMP 的探测灵敏度与 LHC 在探测高质、长寿命超对称粒子方面的表现相比如何？
• RQ5 地球几何结构与大气密度剖面在多大程度上增强或抑制 CHAMP 诱导簇射的可探测性？

主要发现

• ANITA 可通过 CHAMP 衰变后产生的广延空气簇射探测 CHAMPs，如 selectron，为标准中微子搜索之外提供了新的探测通道。
• 在 10^18.5 eV 中微子能量下，ANITA 探测最敏感的区域位于 selectron 质量约 1 TeV、固有寿命 10 ns 附近，此时中微子通量与 selectron 产生截面的乘积约束最紧。
• 探测 CHAMP 诱导簇射的概率强烈依赖于能量，中微子能量越高，可探测性显著增强。
• 微分衰变概率在 selectron 穿越地球路径末段达到峰值，因洛伦兹因子减小，使其更可能在上地壳区域衰变，从而产生可探测的空气簇射。
• 尽管几何上更偏好浅角事件，CHAMP 机制仍可使角分布向更陡角度偏移，但不足以完全解释 ANITA 报告的陡角事件，除非引入额外的天体物理调制。
• ANITA 对 CHAMP 的探测灵敏度延伸至当前 LHC 搜索无法覆盖的参数空间——特别是高质、长寿命的 selectron——使其成为探测新物理的互补手段。