[论文解读] Possible detection of relic neutrinos and their mass

Andreas Ringwald|ArXiv.org|Nov 9, 2001

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 3

一句话总结

本文提出一种通过Z衰变过程间接探测原初中微子的方法，即超高能宇宙中微子与原初中微子共振湮灭产生Z玻色子，其衰变产物为质子，通过比较其能量谱与观测到的宇宙射线数据进行分析。分析结果给出晕状模型下中微子质量的最佳拟合值为 $ m_\nu = 2.75^{+1.28}_{-0.97} $ eV，银河系外模型下为 $ 0.26^{+0.20}_{-0.14} $ eV，对未来的实验室与天体中微子探测具有重要意义。

ABSTRACT

Recently the possibility was widely discussed that a large fraction of the highest energy cosmic rays may be decay products of Z bosons which were produced in the resonant annihilation of ultrahigh energy cosmic neutrinos on cosmological relic neutrinos. If one takes this so-called Z-burst scenario seriously, one may infer the mass of the heaviest relic neutrino as well as the necessary ultrahigh energy cosmic neutrino flux from a comparison of the predicted Z-burst spectrum with the observed cosmic ray spectrum.

研究动机与目标

• 检验Z衰变过程作为通过超高能宇宙中微子与原初中微子共振湮灭产生超高能宇宙射线（UHECRs）的机制。
• 通过将预测的Z衰变质子谱与观测到的UHECR谱进行比较，推断最重原初中微子的质量。
• 确定与观测宇宙射线数据一致的超高能宇宙中微子所需通量。
• 评估Z衰变模型在宇宙学与天体物理约束下的可行性，包括中微子过密度与源区光子逃逸问题。

提出的方法

• 通过超高能宇宙中微子通量、原初中微子数密度、Z玻色子产生截面及强子衰变分支比的卷积，建立Z衰变质子通量模型。
• 利用对撞机数据确定Z玻色子衰变产生的质子动量分布，参数化为 $ \mathcal{Q}_{p+n}(E_p) $。
• 考虑质子从源传播至地球过程中的能量损失，包括与宇宙微波背景的π介子及 $ e^+e^- $ 对产生作用，以及宇宙学红移效应。
• 采用最大似然分析方法，将预测的Z衰变谱与观测到的UHECR谱进行比较，提取中微子质量与通量的置信区间。
• 同时考虑晕状与银河系外背景质子模型，并评估局部原初中微子过密度的影响。
• 评估所需超高能宇宙中微子通量是否符合理论上限，并在未来的实验中具备可探测性。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过Z衰变机制，与观测到的超高能宇宙射线谱一致的最重原初中微子质量是多少？
• RQ2 在Z衰变模型下，为重现观测到的UHECR谱，所需超高能宇宙中微子通量是多少？
• RQ3 局部原初中微子过密度的存在与否如何影响预测的Z衰变质子谱及其与观测的兼容性？
• RQ4 所需超高能宇宙中微子通量能否与天体物理约束相容，特别是与弥漫伽马射线背景有关的约束？
• RQ5 所推导出的中微子质量对未来的实验室实验（如 $ \beta $ 衰变与无中微子双贝塔衰变）有何启示？

主要发现

• 在晕状模型下，最重原初中微子的最佳拟合质量为 $ m_\nu = 2.75^{+1.28}_{-0.97} $ eV，95%置信水平下限为0.97 eV。
• 在银河系外模型下，最佳拟合质量为 $ 0.26^{+0.20}_{-0.14} $ eV，95%置信水平下限为0.06 eV。
• 推导出的中微子质量与分层中微子质量模型一致，尤其与大气中微子振荡数据所提示的模型相符。
• 所需超高能宇宙中微子通量与当前观测上限一致，且在未来的实验中具备可探测潜力。
• 该模型要求存在‘隐藏’于伽马射线中的超高能中微子天体源，可能由于致密环境或自上而下的产生机制所致。
• 结果与宇宙学约束相容，包括来自CMBR数据的总中微子质量上限 $ \sum m_{\nu_i} \leq 4.4 $ eV，且未来灵敏度达到 $ \sim 0.3 $ eV时可实现探测。