[论文解读] The ANITA Anomalous Events as Signatures of a Beyond Standard Model Particle, and Supporting Observations from IceCube

D. B. Fox, Steinn Sigurðsson+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2018

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 30

一句话总结

该论文提出，ANITA异常事件——在约0.6 EeV能量下以陡峭出射角（27°和35°）出现的上行宇宙射线簇射——可能标志着一种超出标准模型（BSM）的粒子，即超对称模型中的次轻量级右手上旋_tau_ slepton（$\tilde{\tau}_R$）。这些粒子通过中微子-核子相互作用产生，穿越地球时能量损失极小，并衰变为高能_tau_子，从而解释了事件的异常几何特征，并得到IceCube高能轨迹事件的独立支持。

ABSTRACT

The ANITA collaboration have reported observation of two anomalous events that appear to be $\\varepsilon_{\ m cr} \\approx 0.6$ EeV cosmic ray showers emerging from the Earth with exit angles of $27^\\circ$ and $35^\\circ$, respectively. While EeV-scale upgoing showers have been anticipated as a result of astrophysical tau neutrinos converting to tau leptons during Earth passage, the observed exit angles are much steeper than expected in Standard Model (SM) scenarios. Indeed, under conservative extrapolations of the SM interactions, there is no particle that can propagate through the Earth with probability $p > 10^{-6}$ at these energies and exit angles. We explore here whether "beyond the Standard Model" (BSM) particles are required to explain the ANITA events, if correctly interpreted, and conclude that they are. Seeking confirmation or refutation of the physical phenomenon of sub-EeV Earth-emergent cosmic rays in data from other facilities, we find support for the reality of the ANITA events, and three candidate analog events, among the Extremely High Energy Northern Track neutrinos of the IceCube Neutrino Observatory. Properties of the implied BSM particle are anticipated, at least in part, by those predicted for the "stau" slepton ($\ ilde{\ au}_R$) in some supersymmetric models of the fundamental interactions, wherein the stau manifests as the next-to-lowest mass supersymmetric partner particle.

研究动机与目标

• 解释ANITA异常事件——在约0.6 EeV能量下以27°和35°出射角出现的上行宇宙射线簇射——这些事件无法用标准模型（SM）物理解释。
• 调查在这些能量和角度下，SM过程无法以超过10⁻⁶的概率产生此类簇射，因此是否需要一种超出标准模型（BSM）的粒子。
• 在其他高能中微子和宇宙射线观测站中搜索类似现象的证据，特别是IceCube。
• 识别在超对称模型中，作为责任BSM粒子的长寿命_right-handed_ $\tilde{\tau}_R$_slepton的理论和现象学影响。
• 提出未来观测策略，利用高空气球、地面和空间设施确认或证伪此类地球射出宇宙射线（SEECRs）的存在。

提出的方法

• 分析ANITA报告的异常事件（AAEs），其天顶角分别为117.4°和125.0°，对应出射角为27°和35°，能量约为0.6 EeV。
• 将观测到的无线电脉冲极性和几何形状与标准SM预期进行比较，表明非反转极性和地平线下方入射与反射的大气簇射不一致。
• 评估SM中微子-核子相互作用，发现没有任何已知粒子能在这些能量和角度下以超过10⁻⁶的概率穿越地球。
• 提出一种BSM机制，涉及在超高能宇宙射线中微子-核子相互作用中产生的长寿命右手上旋_tau_ slepton（$\tilde{\tau}_R$），其穿越地球时能量损失极小。
• 在IceCube的北部分区轨迹样本中搜索类似事件，识别出三个候选高能轨迹事件，其特性与SEECR（地球射出宇宙射线）特征一致。
• 利用超对称理论中的理论模型预测$\tilde{\tau}_R$的性质，包括其寿命、质量范围（0.5–1.0 TeV）以及衰变为_tau_轻子，后者产生观测到的空气簇射。

实验结果

研究问题

• RQ1 ANITA异常事件能否由标准模型物理解释，还是必须引入一种超出标准模型的粒子？
• RQ2 能够解释以陡峭出射角出现的上行簇射的长寿命_right-handed_ $\tilde{\tau}_R$_slepton的预测特性是什么？
• RQ3 在其他高能中微子观测站（如IceCube）中是否存在类似事件的独立观测证据？
• RQ4 未来实验（包括高空气球任务和千米尺度中微子探测器）如何改善对地球射出宇宙射线的探测与表征？
• RQ5 如果确认SEECR事件源于$\tilde{\tau}_R$衰变，对超对称性和暗物质意味着什么？

主要发现

• ANITA异常事件表现出非反转无线电脉冲极性和地平线下方入射，与反射的大气簇射不一致，要求存在直接的上行源。
• 标准模型物理无法解释观测到的事件，因为没有任何已知粒子能在约0.6 EeV能量和27°–35°出射角下以超过10⁻⁶的概率穿越地球。
• 这些事件最合理的解释是：一种长寿命的右手上旋_tau_ slepton（$\tilde{\tau}_R$）在超高能宇宙射线中微子-核子相互作用中产生，并衰变为高能_tau_轻子。
• IceCube北部分区轨迹样本中的三个候选事件表现出与SEECR现象一致的特性，为ANITA事件提供了独立支持。
• slepton模型预测其质量范围为0.5–1.0 TeV，且寿命足够长以穿越地球，使其成为一种可行的暗物质候选者。
• 未来来自ANITA-4、EUSO-SPB2、IceCube、KM3Net和JEM-EUSO的观测可能确认SEECR现象并检验超对称模型。