[论文解读] Test of Lorentz Violation with Astrophysical Neutrino Flavor in IceCube

T. Katori, C. Argüelles+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2019

Noncommutative and Quantum Gravity Theories被引用 5

一句话总结

本文利用冰立方中微子天文台的味组成数据，测试了高能天体中微子中的洛伦兹对称性破坏。通过分析标准模型扩展（SME）中维度六有效算符引起的 $\nu_e : \nu_\mu : \nu_\tau$ 比例偏离，展示了对普朗克尺度物理的敏感性，为通过高能中微子干涉测量发现量子引力效应提供了潜力。

ABSTRACT

Astrophysical high-energy neutrinos observed by IceCube are sensitive to small effects in a vacuum such as those motivated from quantum gravity theories. Here, we discuss the potential sensitivity of Lorentz violation from the diffuse astrophysical neutrino data in IceCube. The estimated sensitivity reaches the Planck scale physics motivated region, providing IceCube with real discovery potential of Lorentz violation.

研究动机与目标

• 利用冰立方的天体中微子味组成数据，测试高能天体中微子中的洛伦兹对称性破坏。
• 评估弥散天体中微子观测对标准模型之外新物理的敏感性，特别是由量子引力启发的洛伦兹对称性破坏。
• 确定冰立方是否能够探测到标准模型扩展（SME）中洛伦兹破坏算符的非零系数。
• 评估中微子味比作为量子引力真空效应探针的潜力。

提出的方法

• 使用味三角形三元图表示观测到的天体中微子味比 $\nu_e : \nu_\mu : \nu_\tau$。
• 在中微子标准模型（νSM）框架内，采用全局拟合的中微子振荡参数，预测从中微子产生到探测的味演化。
• 通过各向同性的维度六SME系数建模洛伦兹对称性破坏，特别关注 $\nu_\mu - \nu_\tau$ 混合。
• 假设天体中微子的能量范围为 [60 TeV, 10 PeV] 内的幂律谱 $\sim E^{-2}$。
• 将不同产生情景（$\nu_e$ 主导、$\nu_\mu$ 主导和π介子衰变）下的预测味比，与冰立方的 68% 和 95% 置信度轮廓进行比较。
• 通过改变SME系数量纲 $\accentset{\circ}{c}^{(6)}$ 的范围从 $10^{-52}$ GeV$^{-2}$ 到 $10^{-42}$ GeV$^{-2}$，评估敏感性，以识别可观测的偏离。

实验结果

研究问题

• RQ1 冰立方能否通过味组成中的偏离探测天体中微子中的洛伦兹对称性破坏？
• RQ2 弥散天体中微子数据对SME中维度五及以下的洛伦兹破坏算符的敏感性如何？
• RQ3 中微子味比在多大程度上能约束洛伦兹破坏的尺度，特别是接近普朗克尺度时？
• RQ4 不同的天体中微子产生模型在多大程度上影响洛伦兹破坏的可探测性？

主要发现

• 分析表明，冰立方的天体中微子味数据对洛伦兹对称性破坏的探测敏感性可达到普朗克尺度，适用于维度五和维度六算符。
• 理论敏感性显示，该味分析对维度五、六和七算符的敏感性超过所有已知作用 sector，如比较图所示。
• 对于各向同性的维度六SME系数，当 $\accentset{\circ}{c}^{(6)} \gtrsim 10^{-48}$ GeV$^{-2}$ 时，可观测到与标准模型味比的偏离，具体取决于产生情景。
• 若产生时具有较高的 $\nu_e$ 分量，将增强对 $\nu_\mu - \nu_\tau$ 混合中洛伦兹破坏的敏感性，从而可能发现SME中非零系数。
• 当前冰立方数据的置信度轮廓（68% 和 95%）涵盖了标准模型预测的全部范围，表明需要更高精度才能区分不同产生模型。
• 该形式化方法具有一般性，适用于其他超越洛伦兹对称性破坏的新物理，如CPT破坏或非标准相互作用。