Fysiker vid Washington University i St. Louis har föreslagit ett sätt att använda data från ultrahöga energinutrinoer för att studera interaktioner bortom standardmodellen för partikelfysik. Modellen "Zee burst" utnyttjar ny data från stora neutrino -teleskop som IceCube Neutrino -observatoriet i Antarktis och dess framtida förlängningar.

"Neutrinoer fortsätter att fascinera oss och sträcka vår fantasi. Dessa" spökpartiklar "är de minst förstådda i standardmodellen, men de har nyckeln till det som ligger bortom, "sa Bhupal Dev, biträdande professor i fysik i konst och vetenskap och författare till en ny studie i Fysiska granskningsbrev .

"Än så länge, alla icke-standardiserade interaktionsstudier på IceCube har endast fokuserat på lågenergi-atmosfäriska neutrino-data, "sa Dev, som ingår i Washington University McDonnell Center for the Space Sciences. "Zee burst" -mekanismen ger ett nytt verktyg för att undersöka icke-standardiserade interaktioner med hjälp av de ultrahöga energin neutrinerna vid IceCube. "

Ultrahöga energihändelser

Sedan upptäckten av neutrinooscillationer för två decennier sedan, som fick Nobelpriset i fysik 2015, forskare har gjort betydande framsteg när det gäller att förstå neutrinoegenskaper - men många frågor är fortfarande obesvarade.

Till exempel, det faktum att neutriner har en så liten massa kräver redan att forskare överväger teorier utöver standardmodellen. I sådana teorier, "neutrinoer kan få nya icke -standardiserade interaktioner med materia när de sprider sig genom den, som avgörande kommer att påverka deras framtida precisionsmätningar, "Sa Dev.

Under 2012, IceCube-samarbetet rapporterade den första observationen av neutrinoer med ultrahög energi från utomjordiska källor, som öppnade ett nytt fönster för att studera neutrinoegenskaper vid högsta möjliga energier. Sedan den upptäckten, IceCube har rapporterat cirka 100 sådana neutrinohändelser med ultrahög energi.

"Vi insåg genast att detta kunde ge oss ett nytt sätt att leta efter exotiska partiklar, som supersymmetriska partners och tungt sönderfallande mörk materia, "Sa Dev. Under de senaste åren har han hade letat efter sätt att hitta signaler om ny fysik i olika energivågor och hade medförfattat ett halvt dussin artiklar som studerade möjligheterna.

"Den gemensamma strategin jag följde i alla dessa verk var att leta efter avvikande funktioner i det observerade händelsespektrumet, som sedan kan tolkas som ett möjligt tecken på ny fysik, " han sa.

Det mest spektakulära inslaget skulle vara en resonans:vad fysiker bevittnar som en dramatisk förstärkning av händelser i ett smalt energifönster. Dev ägnade sin tid åt att tänka på nya scenarier som kan ge upphov till en sådan resonansfunktion. Det var därifrån idén till det aktuella arbetet kom.

I standardmodellen, ultrahög energi neutrino kan producera ett W-boson vid resonans. Denna process, känd som Glashow -resonansen, har redan setts på IceCube, enligt preliminära resultat som presenterades vid Neutrino 2018 -konferensen.

"Vi föreslår att liknande resonansfunktioner kan induceras på grund av nytt ljus, laddade partiklar, som ger ett nytt sätt att undersöka icke -standardiserade neutrino -interaktioner, "Sa Dev.

Bursting på neutrino -scenen

Dev och hans medförfattare Kaladi Babu vid Oklahoma State University betraktade Zee-modellen, en populär modell för strålande neutrino -massgenerering, som en prototyp för deras studie. Denna modell gör att laddade skalarer kan vara så lätta som 100 gånger protonmassan.

"Dessa ljus, laddade Zee-skalare kan ge upphov till en Glashow-liknande resonansfunktion i ultrahög energi neutrinohändelsespektrum vid IceCube Neutrino Observatory, "Sa Dev.

Eftersom den nya resonansen innebär laddade skalarer i Zee -modellen, de bestämde sig för att kalla det 'Zee burst'.

Yicong Sui vid Washington University och Sudip Jana i Oklahoma State, både doktorander i fysik och medförfattare till denna studie, gjorde omfattande händelsessimuleringar och dataanalys som visar att det är möjligt att upptäcka en sådan ny resonans med hjälp av IceCube -data.

"Vi behöver en effektiv exponeringstid på minst fyra gånger den nuvarande exponeringen för att vara tillräckligt känslig för att upptäcka den nya resonansen - så det skulle ta cirka 30 år med den nuvarande IceCube -designen, men bara tre år med IceCube-Gen 2, "Dev sa, med hänvisning till den föreslagna nästa generations förlängningen av IceCube med 10 km3 detektorvolym.

"Detta är ett effektivt sätt att leta efter de nya laddade skalarna på IceCube, komplement till direkta sökningar efter dessa partiklar vid Large Hadron Collider. "