圣路易斯華盛頓大學(xué)的物理學(xué)家提出了一種方法：可以利用超高能中微子來研究超越粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的相互作用。“Zee Burst”模型利用了來自大型中微子探測(cè)器的新數(shù)據(jù)，如南極洲的冰立方中微子天文臺(tái)及其未來擴(kuò)建項(xiàng)目。

布帕爾·德夫(Bhupal Dev)是藝術(shù)與科學(xué)物理學(xué)助理教授，也是發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》期刊上新研究的作者，他說：中微子繼續(xù)引起了我們的興趣，并拓展了想象力。

這些‘幽靈粒子’（中微子）在標(biāo)準(zhǔn)模型中是最不被理解的，但它們掌握著了解未來研究的關(guān)鍵。華盛頓大學(xué)麥克唐奈空間科學(xué)中心(McDonnell Center For The Space Sciences)成員德夫說：到目前為止，冰立方的所有非標(biāo)準(zhǔn)相互作用研究都只集中在低能大氣中微子數(shù)據(jù)上。“‘Zee Burst’機(jī)制提供了一種新的工具，可以利用冰立方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年前發(fā)現(xiàn)中微子振蕩并獲得2015年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)以來，科學(xué)家們?cè)诶斫庵形⒆訉傩苑矫嫒〉昧酥卮筮M(jìn)展，但仍有許多問題沒有得到回答。例如，中微子的質(zhì)量如此之小，這一事實(shí)已經(jīng)要求科學(xué)家考慮標(biāo)準(zhǔn)模型之外的理論。在這樣的理論中，中微子在傳播過程中可能會(huì)與物質(zhì)發(fā)生新的非標(biāo)準(zhǔn)相互作用，這將對(duì)未來的精確測(cè)量產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。2012年，冰立方合作報(bào)告了第一次觀測(cè)到來自地外來源的超高能中微子。

這為研究盡可能高能量的中微子屬性，打開了一個(gè)新的窗口。自從這一發(fā)現(xiàn)以來，冰立方已經(jīng)報(bào)告了大約100個(gè)這樣的超高能中微子事件?？茖W(xué)家們立即意識(shí)到，這可能會(huì)提供一種尋找奇異粒子的新方法，比如超對(duì)稱伙伴和重子衰變暗物質(zhì)。在過去的幾年里，研究人員一直在尋找，在不同能量尺度上尋找新物理信號(hào)的方法。所有這些研究遵循的共同策略是：在觀察到的事件譜中尋找異常特征，然后這可以被解釋為新物理的可能跡象。

最壯觀的特征將是共振：物理學(xué)家見證了在狹窄能量窗口中事件的戲劇性增強(qiáng)。研究人員把時(shí)間花在思考新的場(chǎng)景上，這些場(chǎng)景可能會(huì)產(chǎn)生這樣的共鳴特性，這就是目前這項(xiàng)研究想法的來源。在標(biāo)準(zhǔn)模型中，超高能中微子可以在共振時(shí)產(chǎn)生W玻色子。根據(jù)在2018年中微子會(huì)議上公布的初步結(jié)果，這個(gè)過程被稱為格拉斯豪共振，已經(jīng)在冰立方看到了。新研究提出，由于新的光、帶電粒子可以誘導(dǎo)出類似的共振特征，這為探測(cè)非標(biāo)準(zhǔn)中微子相互作用提供了一種新的方法。

突然出現(xiàn)在中微子場(chǎng)景中

研究的合著者俄克拉荷馬州立大學(xué)的Kaladi Babu認(rèn)為“Zee”模型是他們研究的原型，“Zee”模型是輻射中微子質(zhì)量產(chǎn)生的一個(gè)流行模型，這個(gè)模型能帶電標(biāo)量輕到質(zhì)子質(zhì)量的100倍。這些帶電的輕量級(jí)“Zee”標(biāo)量，可能會(huì)在冰立方中微子天文臺(tái)的超高能中微子事件譜中，產(chǎn)生類似Glasshow的共振特征。由于新共振涉及“Zee”模型中的帶電標(biāo)量，所以決定將其稱為“Zee Burst”。華盛頓大學(xué)的隋逸聰和俄克拉何馬州立大學(xué)的蘇迪普·賈納都是物理學(xué)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，表明使用冰立方數(shù)據(jù)可以檢測(cè)到這樣的新共振。需要至少四倍于當(dāng)前暴露的有效曝光時(shí)間，才能足夠靈敏地檢測(cè)到新的共振，因此對(duì)于目前的IceCube設(shè)計(jì)來說，這大約是30年，但I(xiàn)ceCube-Gen 2只有3年。所以擬議中的IceCube下一代擴(kuò)展，探測(cè)器體積為10千米。這是在冰立方上尋找新帶電標(biāo)量的有效方法，與在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上直接搜索這些粒子是相輔相成的。

博科園｜研究/來自：圣路易斯華盛頓大學(xué)

參考期刊《物理評(píng)論快報(bào)》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.041805

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