高エネルギーニュートリノでさぐる新物理渡辺篤史 （九州大学）

2010年2月9日＠宇宙線研究所

Outline● 宇宙線と高エネルギー天体ニュートリノ

● 高エネルギー宇宙ニュートリノと素粒子物理

ニュートリノ崩壊
pseudo ディラック
CPT/Lorentz 対称性の破れ
他High-energy neutrino

Active Galactic Nuclei (AGN)

M87, Hubble Space Telescope

Gamma Ray Burst (GRB)

GRB 080319B, SWIFT (X-ray)

High-energy neutrino

100 TeV までの大気ニュートリノが観測されている

GZK(Greisen-Zatsepin-Kuzmin)
宇宙線とCMBの相互作用によって生じるニュートリノ

[Halzen, 2007]

Cosmic rays and neutrinos

Knee までは -2.7 のベキ

100 PeV 以上のものは、銀河外がソース[PDG]

Cosmic rays and neutrinos``Ankle” より高エネルギーのフラックスはしばしば、`` One 1019 eV parcile per km2 per year per steradian” といわれるエネルギー密度→ AGN, GRB のルミノシティと分布がよく一致する

Cosmic rays and neutrinos

セカンダリープロトンは、磁場によってソース付近に閉じ込め
一方、中性子は飛び出て、その後崩壊して宇宙線となる

Neutrino telescopes

BaikalAntaresNEMO
NESTOR

IceCubeIceCube observatory

80 strings (4800 PMTs)

WIMP by Deep Core2011年完成予定

高エネルギー宇宙ニュートリノと素粒子物理
長距離を走ってくる→ 高エネルギーだが、標準的な振動はaveraged out

質量二乗差の sensitivity

withNeutrino propagation (oscillation)
標準理論の範囲では標準的なシナリオでは、フレイバー比はおよそ１：１：１

Neutrino decay
崩壊モード
radiative[Pakvasa,2004]

磁気モーメントの実験
3-body2-bodySN1987A
マヨロン

SolarATM

unparticle

Neutrino decay[Beacom,Bell,Hooper,Pakvasa,Weiler, 2003]

Normal ordering:

Inverted ordering:
1:1:1 からおおきくずれるNeutrino decay

Normal ordering

Inverted ordering

・ 高エネルギーで no decay、低エネルギーで complete decay
・ Inverted の場合に、θ-13 依存性が大きい

Neutrino decay
Flavor identification (in IceCube)
Shower events

Muon track events

NC for all flavor + CC for+ CC forwith

CC for

Event rate

Shower/muon-track ratio

No decay

Decay

without decay

No decay: ～0.5
Decay:～0.2 at

For 10 year observation
In IceCube
with decay (inverted)Pseudo Dirac neutrino[Wolfenstein,1981][Petocov,1982][Giunti,Kim,Lee,1992]…

フレイバーの固有状態は、[Kobayashi,Lim,2001][Beacom,Bell,Hooper,Learned,Pakvasa,Weiler, 2003]

Pseudo Dirac neutrino

Fine splitting

各フレイバーのフラックスは、ソースで (1,2,0) のとき[Beacom,Bell,Hooper,Learned,Pakvasa,Weiler, 2003]

Lorentz/CPT violation
CPT theorem
1) Lorentz invariance2) Hermitian Hamiltonian
3) Locality

CPT symmetry[Lüders; Pauli, 1954]● ローレンツ不変性の破れ
座標系に依らない fundamental な「長さ」

Particular type of string theory[Kostelecky,Samuel,1989],[Madore,Schraml,Schupp,Wess,2000]
Non-commutative geometry…

● CPT 対称性の破れ``Quantum decoherence”:

pure state → mixed state

Loop quantum gravity[Gambini,Pullin,2004][Alfaro,Morales-Tecotl,Urrutia,2000][Thiemann,2001]

Lorentz/CPT violation
モデルがたくさんあるので、effective な理論を使ったアプローチが有効Standard Model Extension [Colladay,Kostelecky,1998]

SM field + LV tensors with non-zero VEV

Modified dispersion relation

Lorentz/CPT violation

上段： pion decay source
下段： neutron decay source

Normal ordering

タウニュートリノが他のフレイバーに比べて極端に少なくなる[Hooper,Morgan,Winstanley,2005]

低エネルギーでスタンダードなフレイバー比が回復Extra dimensions[Jain,Douglas,MacKay,Panda,Ralston,2000]

GZK cutoff をこえるイベントは、neutrino induced だと考えることはできるか？
→ 普通の弱い相互作用だと、断面積が小さくてつじつまがあわない

spin 2 の粒子の交換で、断面積を大きくできるか？

高エネルギーの領域は、Log 依存性の仮定と低エネルギーへのマッチングで決まる外挿をつかうNeutrino absorption spectroscopy
高エネルギーニュートリノと CNB の相互作用

Weiler,1982,
Roulet, 1993,…

``Z-burst” か吸収線が見えれば、CNB の存在を確認できる[Barenboim,Requejo,Quigg,2004]

Neutrino absorption spectroscopy
Survival probabilities
Normal ordering
Integrated back to z = 20Flavor ratio

Left: normal ordering
Right: inverted ordering[Barenboim,Requejo,Quigg,2004]

Dark matter● 太陽での annihilation

Srednicki,Olive,Silk,1987,Ellis,Flores,Ritz,1987,Ritz,Seckel,1988,…

● Diffuse (galactic halos)
Beacom,Bell,Mack,2007,
Yuksel,Horiuchi,Beacom,Ando,2007,…

● PAMELA の positoron との関連
Spolyar,Buckley,Freese,Hooper,Murayama,2009

まとめ● 宇宙から来る高エネルギーニュートリノをつかって、いろいろな物理をさぐることができる
ニュートリノ崩壊
pseudo ディラック
CPT/Lorentz 対称性の破れ● フレイバー比が重要