Natuurkundigen van de Washington University in St. Louis hebben een manier voorgesteld om gegevens van ultrahoge-energetische neutrino's te gebruiken om interacties te bestuderen die verder gaan dan het standaardmodel van de deeltjesfysica. Het 'Zee burst'-model maakt gebruik van nieuwe gegevens van grote neutrinotelescopen zoals het IceCube Neutrino Observatory op Antarctica en de toekomstige uitbreidingen ervan.

"Neutrino's blijven ons intrigeren en strekken onze verbeeldingskracht uit. Deze 'spookdeeltjes' worden het minst begrepen in het standaardmodel, maar ze hebben de sleutel tot wat daarachter ligt, " zei Bhupal Dev, universitair docent natuurkunde in Arts &Sciences en auteur van een nieuwe studie in Fysieke beoordelingsbrieven .

"Tot dusver, alle niet-standaard interactiestudies bij IceCube hebben zich alleen gericht op de laagenergetische atmosferische neutrinogegevens, " zei Dev, die deel uitmaakt van het McDonnell Center for the Space Sciences van de Washington University. "Het 'Zee burst'-mechanisme biedt een nieuw hulpmiddel om niet-standaard interacties te onderzoeken met behulp van de ultrahoge-energetische neutrino's op IceCube."

Gebeurtenissen met ultrahoge energie

Sinds de ontdekking van neutrino-oscillaties twee decennia geleden, die in 2015 de Nobelprijs voor natuurkunde opleverde, wetenschappers hebben aanzienlijke vooruitgang geboekt bij het begrijpen van de eigenschappen van neutrino's, maar veel vragen blijven onbeantwoord.

Bijvoorbeeld, het feit dat neutrino's zo'n kleine massa hebben, vereist al dat wetenschappers theorieën overwegen die verder gaan dan het standaardmodel. In dergelijke theorieën "neutrino's kunnen nieuwe niet-standaard interacties hebben met materie terwijl ze zich erdoor voortplanten, die een cruciale invloed zullen hebben op hun toekomstige precisiemetingen, ' zei Dev.

In 2012, de IceCube-samenwerking rapporteerde de eerste waarneming van neutrino's met ultrahoge energie uit buitenaardse bronnen, die een nieuw venster opende om de eigenschappen van neutrino's bij de hoogst mogelijke energieën te bestuderen. Sinds die ontdekking, IceCube heeft ongeveer 100 van dergelijke neutrino-gebeurtenissen met ultrahoge energie gerapporteerd.

"We realiseerden ons meteen dat dit ons een nieuwe manier zou kunnen geven om naar exotische deeltjes te zoeken, zoals supersymmetrische partners en zwaar rottende donkere materie, " zei Dev. De afgelopen jaren, hij was op zoek naar manieren om signalen van nieuwe fysica op verschillende energieschalen te vinden en was co-auteur van een half dozijn artikelen waarin hij de mogelijkheden bestudeerde.

"De algemene strategie die ik in al deze werken volgde, was om te zoeken naar afwijkende kenmerken in het waargenomen gebeurtenisspectrum, wat dan kan worden geïnterpreteerd als een mogelijk teken van nieuwe fysica, " hij zei.

Het meest spectaculaire kenmerk zou een resonantie zijn:wat natuurkundigen zien als een dramatische versterking van gebeurtenissen in een smal energievenster. Dev wijdde zijn tijd aan het bedenken van nieuwe scenario's die tot zo'n resonantiefunctie zouden kunnen leiden. Daar kwam het idee voor het huidige werk vandaan.

In het standaardmodel neutrino's met ultrahoge energie kunnen bij resonantie een W-boson produceren. Dit proces, bekend als de Glashow-resonantie, is al te zien op IceCube, volgens voorlopige resultaten gepresenteerd op de Neutrino 2018-conferentie.

"We stellen voor dat vergelijkbare resonantiekenmerken kunnen worden veroorzaakt door nieuw licht, geladen deeltjes, die een nieuwe manier biedt om niet-standaard neutrino-interacties te onderzoeken, ' zei Dev.

Barstend op de neutrino-scene

Dev en zijn co-auteur Kaladi Babu aan de Oklahoma State University beschouwden het Zee-model, een populair model voor het genereren van stralingsneutrinomassa's, als prototype voor hun studie. Met dit model kunnen geladen scalairen zo licht zijn als 100 keer de protonmassa.

"Deze lichte, geladen Zee-scalaren kunnen aanleiding geven tot een Glashow-achtige resonantiefunctie in het ultrahoge-energetische neutrino-gebeurtenisspectrum in het IceCube Neutrino Observatory, ' zei Dev.

Omdat de nieuwe resonantie geladen scalairen in het Zee-model omvat, ze besloten het de 'Zee-burst' te noemen.

Yicong Sui aan de Washington University en Sudip Jana aan de staat Oklahoma, zowel afgestudeerde studenten natuurkunde als co-auteurs van deze studie, deed uitgebreide simulaties van gebeurtenissen en data-analyse waaruit bleek dat het mogelijk is om zo'n nieuwe resonantie te detecteren met behulp van IceCube-gegevens.

"We hebben een effectieve belichtingstijd nodig van ten minste vier keer de huidige belichting om gevoelig genoeg te zijn om de nieuwe resonantie te detecteren - dus dat zou ongeveer 30 jaar zijn met het huidige IceCube-ontwerp, maar slechts drie jaar IceCube-Gen 2, "Dev zei, verwijzend naar de voorgestelde uitbreiding van de IceCube van de volgende generatie met een detectorvolume van 10 km3.

"Dit is een effectieve manier om te zoeken naar de nieuwe geladen scalairen bij IceCube, complementair aan directe zoektochten naar deze deeltjes bij de Large Hadron Collider."