[论文解读] On the interpretation of IceCube cascade events in terms of the Glashow resonance

Atri Bhattacharya, Raj Gandhi+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2012

Radio Wave Propagation Studies被引用 11

一句话总结

本文提出，IceCube在1–10 PeV能量范围内的两个未解释的级联事例，是由于Glashow共振（$ar{\nu}_e e \to W^- \to \text{强子}$）所致，其具有独特的无背景特征：来自$W^- \to \bar{\nu}_\mu \mu^-$的孤立μ子。研究表明，每年仅预期约0.34个此类μ子事例，而标准宇宙射线产生的中微子通量无法在不引入新物理的情况下解释该数据；中微子衰变或洛伦兹不变性破坏可抑制$\nu_\mu$/$\bar{\nu}_\mu$通量，同时保持$\bar{\nu}_e$通量不变。

ABSTRACT

The IceCube experiment (IC) has recently observed 2 cascade events with energies between 1 and 10 PeV. This energy combined with the fact that no muon-track events are observed may be interpreted as a cosmogenic $\bar ν_e$ interacting in IC via the Glashow resonance (GR) $\bar ν_e e o W^- o$ (hadrons or $\bar ν_e e$). We point out a unique, background-free signature of the GR, a single isolated muon unaccompanied by any shower activity from the interaction $\bar ν_e e o W^- o \bar ν_μμ^-$, and propose it as a test of this interpretation. We calculate the event numbers and find that a single such event is expected over about a three-year period in IC. We also show that, if event rates remain at their current levels then, even with the GR, standard cosmogenic fluxes cannot easily explain the observations. Moreover, if muon-tracks remain conspicuous by their absence, then new physics needs to be invoked. As example scenarios in conformity with the observations, we calculate event rates for neutrino decay and Lorentz-invariance violation.

研究动机与目标

• 解释IceCube的两个1–10 PeV未解释级联事例源于宇宙射线产生的$\bar{\nu}_e$的Glashow共振。
• 识别一种独特且无背景的信号——来自$W^- \to \bar{\nu}_\mu \mu^-$的孤立单μ子，以检验该解释。
• 评估在未观测到μ子轨迹的条件下，标准宇宙射线中微子通量是否能解释观测结果。
• 探讨中微子衰变或洛伦兹不变性破坏等非标准物理是否可通过抑制$\nu_\mu$/$\bar{\nu}_\mu$通量同时保持$\bar{\nu}_e$通量，从而调和数据。

提出的方法

• 建模Glashow共振在约6.3 PeV处的截面增强，此时$\bar{\nu}_e e \to W^-$因共振而增强约350倍。
• 计算IceCube中纯μ子信号（$W^- \to \bar{\nu}_\mu \mu^-$）的预期事例率，发现三年内每年约0.34个事例。
• 将标准宇宙射线中微子通量（如ESS模型）按比例放大以匹配两个观测到的级联事例，需放大约300倍。
• 应用中微子衰变模型，比较正常质量顺序与倒质量顺序对$\bar{\nu}_\mu$通量的抑制效果。
• 引入具有参数$\alpha$的洛伦兹不变性破坏（LV）哈密顿量，以修改振荡概率并抑制$\nu_\mu$通量。
• 将标准模型与非标准模型下的预测μ子轨迹事例率与IceCube的预期灵敏度（图1中的红色曲线）进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 Glashow共振能否在不引入新物理的情况下解释IceCube的两个1–10 PeV级联事例？
• RQ2 IceCube中来自$W^- \to \bar{\nu}_\mu \mu^-$的孤立μ子事例的预期率是多少？该信号能否作为Glashow共振的无背景检验？
• RQ3 为何在PeV能量下未观测到μ子轨迹事例，尽管标准宇宙射线通量预期存在？
• RQ4 中微子衰变或洛伦兹不变性破坏是否足以抑制$\nu_\mu$/$\bar{\nu}_\mu$通量，以解释μ子轨迹的缺失，同时保持$\bar{\nu}_e$通量？
• RQ5 标准宇宙射线模型需将通量放大至何种程度才能解释级联事例？该放大是否合理？

主要发现

• Glashow共振为IceCube的两个级联事例提供了合理解释，共振能量约6.3 PeV，与观测范围一致。
• 一种独特且无背景的信号——来自$W^- \to \bar{\nu}_\mu \mu^-$的孤立单μ子——在IceCube中预计每年发生约0.34个事例。
• 标准宇宙射线中微子通量需放大约300倍才能解释这两个级联事例，若无额外抑制机制则极不可能。
• 中微子衰变在正常质量顺序下可有效抑制$\bar{\nu}_\mu$通量，使$\bar{\nu}_e$占主导，从而解释μ子轨迹的缺失。
• 当$\alpha = 10^{-29}$ GeV时，洛伦兹不变性破坏可充分抑制$\nu_\mu$通量，使μ子轨迹事例率降至约每年0.18个，低于IceCube的灵敏度限值。
• 在该非标准物理框架下，观测到的级联事例与μ子轨迹的缺失可被统一解释。