Begivenheder med ultrahøj energi er nøglen til undersøgelse af spøgelsespartikler

Fysikere ved Washington University i St. Louis har foreslået en måde at bruge data fra ultrahøjenergi neutrinoer til at studere interaktioner ud over standardmodellen for partikelfysik. 'Zee burst'-modellen udnytter nye data fra store neutrinoteleskoper såsom IceCube Neutrino Observatory i Antarktis og dets fremtidige udvidelser.

"Neutrinoer fortsætter med at intrigere os og strække vores fantasi. Disse 'spøgelsespartikler' er de mindst forståede i standardmodellen, men de har nøglen til det, der ligger hinsides, " sagde Bhupal Dev, assisterende professor i fysik i Arts &Sciences og forfatter til en ny undersøgelse i Fysisk gennemgangsbreve .

"Indtil nu, alle ikke-standard interaktionsstudier på IceCube har kun fokuseret på lavenergidata om atmosfæriske neutrino, " sagde Dev, som er en del af Washington Universitys McDonnell Center for Space Sciences. "Zee burst-mekanismen giver et nyt værktøj til at sondere ikke-standardinteraktioner ved hjælp af de ultrahøjenergineutrinoer på IceCube."

Begivenheder med ultrahøj energi

Siden opdagelsen af ​​neutrinoscillationer for to årtier siden, som fik Nobelprisen i fysik i 2015, Forskere har gjort betydelige fremskridt med at forstå neutrinoegenskaber - men mange spørgsmål forbliver ubesvarede.

For eksempel, det faktum, at neutrinoer har så lille en masse, kræver allerede, at videnskabsmænd overvejer teorier ud over standardmodellen. I sådanne teorier, "Neutrinoer kunne have nye ikke-standardiserede interaktioner med stof, når de forplanter sig gennem det, hvilket vil have afgørende indflydelse på deres fremtidige præcisionsmålinger, " sagde Dev.

I 2012 IceCube-samarbejdet rapporterede den første observation af ultrahøjenergi-neutrinoer fra udenjordiske kilder, som åbnede et nyt vindue til at studere neutrinoegenskaber ved de højest mulige energier. Siden den opdagelse, IceCube har rapporteret omkring 100 sådanne ultra-højenergi neutrino begivenheder.

"Vi indså straks, at dette kunne give os en ny måde at lede efter eksotiske partikler på, som supersymmetriske partnere og tungt henfaldende mørkt stof, " sagde Dev. I de foregående mange år, han havde ledt efter måder at finde signaler om ny fysik på forskellige energiskalaer og havde været medforfatter til et halvt dusin artikler, der studerede mulighederne.

"Den fælles strategi, jeg fulgte i alle disse værker, var at lede efter unormale træk i det observerede hændelsesspektrum, som så kunne tolkes som et muligt tegn på ny fysik, " han sagde.

Det mest spektakulære træk ville være en resonans:hvad fysikere er vidne til som en dramatisk forbedring af begivenheder i et snævert energivindue. Dev viede sin tid til at tænke på nye scenarier, der kunne give anledning til en sådan resonansfunktion. Det var derfra ideen til det nuværende arbejde kom.

I standardmodellen, ultrahøjenergi neutrinoer kan producere en W-boson ved resonans. denne proces, kendt som Glashow-resonansen, er allerede blevet set på IceCube, ifølge foreløbige resultater præsenteret på Neutrino 2018-konferencen.

"Vi foreslår, at lignende resonanstræk kan induceres på grund af nyt lys, ladede partikler, som giver en ny måde at undersøge ikke-standard neutrino-interaktioner på, " sagde Dev.

Brager ind på neutrinoscenen

Dev og hans medforfatter Kaladi Babu ved Oklahoma State University overvejede Zee-modellen, en populær model for massegenerering af radiativ neutrino, som en prototype til deres undersøgelse. Denne model gør det muligt for ladede skalarer at være så lette som 100 gange protonmassen.

"Disse lys, ladede Zee-scalarer kunne give anledning til en Glashow-lignende resonansfunktion i det ultrahøjenergi-neutrino-begivenhedsspektrum ved IceCube Neutrino Observatory, " sagde Dev.

Fordi den nye resonans involverer ladede skalarer i Zee-modellen, de besluttede at kalde det 'Zee burst'.

Yicong Sui ved Washington University og Sudip Jana ved Oklahoma State, både kandidatstuderende i fysik og medforfattere til denne undersøgelse, lavede omfattende hændelsessimuleringer og dataanalyse, der viser, at det er muligt at detektere en sådan ny resonans ved hjælp af IceCube-data.

"Vi har brug for en effektiv eksponeringstid på mindst fire gange den nuværende eksponering for at være følsom nok til at detektere den nye resonans - så det ville være omkring 30 år med det nuværende IceCube-design, men kun tre år med IceCube-Gen 2, "Dev sagde, med henvisning til den foreslåede næste generations udvidelse af IceCube med 10 km3 detektorvolumen.

"Dette er en effektiv måde at lede efter de nye ladede skalarer på IceCube, komplementær til direkte søgninger efter disse partikler ved Large Hadron Collider."