超高能事件是研究鬼粒子的关键

导读 圣路易斯大学的物理学家提出了一种方法,利用超高能中微子的数据来研究粒子物理标准模型之外的相互作用。“Zee Burst”模型利用了来自大

圣路易斯大学的物理学家提出了一种方法,利用超高能中微子的数据来研究粒子物理标准模型之外的相互作用。“Zee Burst”模型利用了来自大型中微子望远镜的新数据,例如南极冰立方中微子天文台及其未来的扩展。

“中微子继续吸引着我们,拓展着我们的想象力。这些“鬼粒子”在标准模型中最不被理解,但它们是超越范围的关键。”艺术和科学物理学助理教授、《物理评论快报》年一项新研究的作者Bhupal Dev说。

华盛顿大学麦当劳空间科学中心成员戴夫说:“到目前为止,冰立方的所有非标准相互作用研究都只关注低能大气中微子数据。“利用冰立方的超高能中微子,‘Zee Burst’机制为探测非标准相互作用提供了新的工具。”

超高能事件

自20年前中微子振荡的发现获得2015年诺贝尔物理学奖以来,科学家们在理解中微子特性方面取得了很大进展——但仍有许多未解之谜。

例如,中微子的质量非常小,以至于科学家们被要求考虑标准模型之外的理论。德夫说,在这一理论中,“中微子在物质中传播时,可能会与物质产生新的非标准相互作用,这将严重影响未来中微子的精确测量”。

2012年,IceCube报道了首次观测到来自地外来源的超高能中微子,这为研究最高可能能量下的中微子特性打开了一个新的窗口。自发现以来,冰立方已经报道了大约100起这样的超高能中微子事件。

Dev说:“我们立即意识到,这可以为我们提供一种寻找奇怪粒子的新方法,比如超对称伴侣和衰变严重的暗物质。”在过去的几年里,他一直在寻找在不同能量水平上发现新的物理信号的方法,并与他人合著了六篇论文来研究这种可能性。

他说:“在所有这些任务中,我遵循的共同策略是在观察到的事件谱中寻找异常特征,然后将它们解释为新物理的可能迹象。”

最引人注目的特征是共振:物理学家认为这是在狭窄的能量窗口中事件的急剧增强。Dev花了很多时间思考可能引起这种共振功能的新场景。这是目前工作的想法。

在标准模型中,超高能中微子会在共振时产生W玻色子。根据在中微子2018会议上发表的初步结果,这个过程被称为Glashow共振,在IceCube上已经看到了。

“我们认为,由于新的带电轻粒子,可以诱发类似的共振特性,这为探测非标准中微子相互作用提供了新的途径。”德夫说。

中微子爆发的场景。

Dev和他的合著者,俄克拉荷马州立大学的Kaladi Babu,将Zee模型(辐射中微子大规模生产的流行模型)作为他们研究的原型。该模型允许带电标量轻至质子质量的100倍。

Dave说:“这些光和带电的Zee标量可能会在冰立方中微子天文台的超高能中微子事件谱中引起类似Glashow的共振特征。”

因为新共振涉及Zee模型中的带电标量,他们决定称之为“Zee Burst”。

华盛顿大学的伊聪穗和俄克拉荷马州立大学的苏迪普贾纳是物理学研究生,也是这项研究的合著者。他们进行了广泛的事件模拟和数据分析,表明这种新的共振可以通过使用冰立方数据来检测。

“我们需要有效曝光时间至少是当前曝光时间的四倍,这样才能足够灵敏地探测到新的共振——因此,以当前的IceCube设计,大约需要30年,而IceCube-Gen 2只需要三年,”Dev提到了IceCube的下一代扩展计划,其探测器体积为10 km 3。

“这是在冰立方上寻找新带电标量的有效方法,是对大型强子对撞机直接寻找这些粒子的补充。”

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