超高能事件是研究鬼粒子的關(guān)鍵

圣路易斯華盛頓大學(xué)的物理學(xué)家提出了一種使用超高能中微子的數(shù)據(jù)研究粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型以外相互作用的方法。“ Zee爆發(fā)”模型利用了來(lái)自大型中微子望遠(yuǎn)鏡的新數(shù)據(jù)，例如 南極洲 的 IceCube中微子天文臺(tái)及其未來(lái)擴(kuò)展。

“ Neutrinos繼續(xù)吸引著我們，并擴(kuò)展了我們的想象力。這些“鬼粒子”是標(biāo)準(zhǔn)模型中最少了解的，但它們是超越范圍的關(guān)鍵。” 藝術(shù)與科學(xué)物理助理教授，《物理評(píng)論快報(bào)》的一項(xiàng)新研究的作者 Bhupal Dev說(shuō) 。

“到目前為止，IceCube的所有非標(biāo)準(zhǔn)相互作用研究都只集中在低能量的大氣中微子數(shù)據(jù)上，”華盛頓大學(xué)麥當(dāng)勞太空科學(xué)中心的成員 戴夫說(shuō)。“'Zee爆發(fā)'機(jī)制提供了一種新工具，可使用IceCube的超高能中微子探測(cè)非標(biāo)準(zhǔn)相互作用。”

超高能事件

自從20年前中微子振蕩的發(fā)現(xiàn)獲得 2015年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)以來(lái)，科學(xué)家們?cè)诹私庵形⒆犹匦苑矫嫒〉昧酥卮筮M(jìn)展-但仍有許多問(wèn)題尚未解答。

例如，中微子的質(zhì)量如此之小，已經(jīng)要求科學(xué)家考慮超出標(biāo)準(zhǔn)模型的理論。在這種理論中，“中微子在物質(zhì)中傳播時(shí)可能會(huì)與物質(zhì)發(fā)生新的非標(biāo)準(zhǔn)相互作用，這將嚴(yán)重影響其未來(lái)的精確測(cè)量，” Dev說(shuō)。

在2012年，IceCube合作組織報(bào)告了對(duì)來(lái)自地外源的超高能中微子的首次觀察，這為研究在盡可能高的能量下的中微子特性打開(kāi)了新的窗口。自從發(fā)現(xiàn)以來(lái)，IceCube已報(bào)告了約100個(gè)此類超高能中微子事件。

Dev說(shuō)：“我們立即意識(shí)到，這可以為我們提供一種尋找奇異粒子的新方法，例如超對(duì)稱伴侶和重度衰變的暗物質(zhì)。” 在過(guò)去的幾年中，他一直在尋找在不同能級(jí)上尋找新物理信號(hào)的方法，并與他人合著了六篇論文研究了這種可能性。

他說(shuō)：“在所有這些工作中，我遵循的共同策略是在觀察到的事件頻譜中尋找異常特征，然后將其解釋為新物理學(xué)的可能跡象。”

最壯觀的特征是產(chǎn)生共鳴：物理學(xué)家將其視為在狹窄的能量窗口中事件的急劇增強(qiáng)。Dev投入了大量時(shí)間來(lái)思考可能引起這種共鳴功能的新場(chǎng)景。這就是當(dāng)前工作的想法。

在標(biāo)準(zhǔn)模型中，超高能中微子會(huì)在共振時(shí)產(chǎn)生W玻色子。根據(jù)Neutrino 2018大會(huì)上發(fā)表的初步結(jié)果，這個(gè)過(guò)程稱為Glashow共振，已經(jīng)在IceCube上看到過(guò) 。

“我們認(rèn)為，由于新的帶電輕粒子，可以誘發(fā)相似的共振特征，這為探測(cè)非標(biāo)準(zhǔn)中微子相互作用提供了新途徑。” Dev說(shuō)。

爆發(fā)到中微子的場(chǎng)景

Dev和他的合著者 ，俄克拉荷馬州立大學(xué)的Kaladi Babu將Zee模型(一種流行的輻射中微子質(zhì)量產(chǎn)生模型)視為他們研究的原型。該模型允許帶電標(biāo)量輕至質(zhì)子質(zhì)量的100倍。

戴夫說(shuō)：“這些輕而帶電的Zee標(biāo)量可能會(huì)在IceCube中微子天文臺(tái)的超高能中微子事件光譜中引起類似Glashow的共振特征。”

由于新的共振涉及Zee模型中的帶電標(biāo)量，因此他們決定將其稱為“ Zee突發(fā)”。

華盛頓大學(xué)的Yicong Sui和俄克拉荷馬州立大學(xué)的Sudip Jana是物理學(xué)的研究生，也是這項(xiàng)研究的合著者，他們進(jìn)行了廣泛的事件模擬和數(shù)據(jù)分析，表明可以使用IceCube數(shù)據(jù)檢測(cè)到這種新的共振。

“我們需要有效曝光時(shí)間至少是當(dāng)前曝光時(shí)間的四倍，以足夠靈敏地檢測(cè)到新的共振-因此，使用當(dāng)前的IceCube設(shè)計(jì)，這大約需要30年，而IceCube-Gen 2僅需要三年 ，” Dev提到建議的IceCube的下一代擴(kuò)展，其 探測(cè)器體積為10 km 3。

“這是在IceCube上尋找新的帶電標(biāo)量的有效方法，是在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中直接搜索這些粒子的補(bǔ)充。”