Present and future constraints on flavor-dependent long-range interactions of high-energy astrophysical neutrinos

被引：8

作者：

Agarwalla, Sanjib Kumar ^{[1
,2
,3
,4
]}

Bustamante, Mauricio ^{[5
]}

Das, Sudipta ^{[1
,2
]}

Narang, Ashish ^{[1
]}

机构：

[1] Inst Phys, Sachivalaya Marg, Bhubaneswar 751005, India

[2] Homi Bhabha Natl Inst, Training Sch Complex, Mumbai 400094, India

[3] Univ Wisconsin, Dept Phys, Madison, WI 53706 USA

[4] Univ Wisconsin, Wisconsin IceCube Particle Astrophys Ctr, Madison, WI 53706 USA

[5] Univ Copenhagen, Niels Bohr Inst, Niels Bohr Int Acad, DK-2100 Copenhagen, Denmark

来源：

JOURNAL OF HIGH ENERGY PHYSICS | 2023年 / 2023卷 / 08期

关键词：

Neutrino Mixing; New Gauge Interactions; New Light Particles; Non-Standard Neutrino Properties; STAR-FORMATION RATE; STARBURST GALAXIES; COSMIC-RAYS; CLUSTERS; OSCILLATIONS; NUCLEI; MODELS; FORCES;

D O I：

10.1007/JHEP08(2023)113

中图分类号：

O412 [相对论、场论]; O572.2 [粒子物理学];

学科分类号：

摘要：

The discovery of new, flavor-dependent neutrino interactions would provide compelling evidence of physics beyond the Standard Model. We focus on interactions generated by the anomaly-free, gauged, abelian lepton-number symmetries, specifically L-e - L-& mu;, L-e - L-& tau; , and L-& mu; - L-& tau; , that introduce a new matter potential sourced by electrons and neutrons, potentially impacting neutrino flavor oscillations. We revisit, revamp, and improve the constraints on these interactions that can be placed via the flavor composition of the diffuse flux of high-energy astrophysical neutrinos, with TeV-PeV energies, i.e., the proportion of & nu;(e), & nu;(& mu;), and & nu;(& tau;) in the flux. Because we consider mediators of these new interactions to be ultra-light, lighter than 10(-10) eV, the interaction range is ultra-long, from km to Gpc, allowing vast numbers of electrons and neutrons in celestial bodies and the cosmological matter distribution to contribute to this new potential. We leverage the present-day and future sensitivity of high-energy neutrino telescopes and of oscillation experiments to estimate the constraints that could be placed on the coupling strength of these interactions. We find that, already today, the IceCube neutrino telescope demonstrates potential to constrain flavor-dependent long-range interactions significantly better than existing constraints, motivating further analysis. We also estimate the improvement in the sensitivity due to the next-generation neutrino telescopes such as IceCube-Gen2, Baikal-GVD, KM3NeT, P-ONE, and TAMBO.

引用

页数：48

共 182 条

[1] Measurements using the inelasticity distribution of multi-TeV neutrino interactions in IceCube [J].

Aartsen, M. G. ;

Ackermann, M. ;

Adams, J. ;

Aguilar, J. A. ;

Ahlers, M. ;

Ahrens, M. ;

Al Samarai, I. ;

Altmann, D. ;

Andeen, K. ;

Anderson, T. ;

Ansseau, I. ;

Anton, G. ;

Arguelles, C. ;

Auffenberg, J. ;

Axani, S. ;

Backes, P. ;

Bagherpour, H. ;

Bai, X. ;

Barbano, A. ;

Barron, J. P. ;

Barwick, S. W. ;

Baum, V. ;

Bay, R. ;

Beatty, J. J. ;

Tjus, J. Becker ;

Becker, K. -H. ;

BenZvi, S. ;

Berley, D. ;

Bernardini, E. ;

Besson, D. Z. ;

Binder, G. ;

Bindig, D. ;

Blaufuss, E. ;

Blot, S. ;

Bohm, C. ;

Boerner, M. ;

Bos, F. ;

Boeser, S. ;

Botner, O. ;

Bourbeau, E. ;

Bourbeau, J. ;

Bradascio, F. ;

Braun, J. ;

Brenzke, M. ;

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Bron, S. ;

Brostean-Kaiser, J. ;

Burgman, A. ;

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[2] Multimessenger observations of a flaring blazar coincident with high-energy neutrino IceCube-170922A [J].

Aartsen, M. G. ;

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Adams, J. ;

Aguilar, J. A. ;

Ahlers, M. ;

Ahrens, M. ;

Al Samarai, I. ;

Altmann, D. ;

Andeen, K. ;

Anderson, T. ;

Ansseau, I. ;

Anton, G. ;

Arguelles, C. ;

Auffenberg, J. ;

Axani, S. ;

Bagherpour, H. ;

Bai, X. ;

Barron, J. P. ;

Barwick, S. W. ;

Baum, V. ;

Bay, R. ;

Beatty, J. J. ;

Tjus, J. Becker ;

Becker, K. -H. ;

BenZvi, S. ;

Berley, D. ;

Bernardini, E. ;

Besson, D. Z. ;

Binder, G. ;

Bindig, D. ;

Blaufuss, E. ;

Blot, S. ;

Bohm, C. ;

Borner, M. ;

Bos, F. ;

Boser, S. ;

Botner, O. ;

Bourbeau, E. ;

Bourbeau, J. ;

Bradascio, F. ;

Braun, J. ;

Brenzke, M. ;

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[3] The IceCube Neutrino Observatory: instrumentation and online systems [J].

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Altmann, D. ;

Andeen, K. ;

Anderson, T. ;

Ansseau, I. ;

Anton, G. ;

Archinger, M. ;

Arguelles, C. ;

Auer, R. ;

Auffenberg, J. ;

Axani, S. ;

Baccus, J. ;

Bai, X. ;

Barnet, S. ;

Barwick, S. W. ;

Baum, V. ;

Bay, R. ;

Beattie, K. ;

Beatty, J. J. ;

Tjus, J. Becker ;

Becker, K. -H. ;

Bendfelt, T. ;

BenZvi, S. ;

Berley, D. ;

Bernardini, E. ;

Bernhard, A. ;

Besson, D. Z. ;

Binder, G. ;

Bindig, D. ;

Bissok, M. ;

Blaufuss, E. ;

Blot, S. ;

Boersma, D. ;

Bohm, C. ;

Boerner, M. ;

Bos, F. ;

Bose, D. ;

Boeser, S. ;

Botner, O. ;

Bouchta, A. ;

Braun, J. ;

Brayeur, L. ;

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Ahrens, M. ;

Altmann, D. ;

Andeen, K. ;

Anderson, T. ;

Ansseau, I. ;

Anton, G. ;

Archinger, M. ;

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Auffenberg, J. ;

Axani, S. ;

Bai, X. ;

Barwick, S. W. ;

Baum, V. ;

Bay, R. ;

Beatty, J. J. ;

Tjus, J. Becker ;

Becker, K. -H. ;

Benzvi, S. ;

Berghaus, P. ;

Berley, D. ;

Bernardini, E. ;

Bernhard, A. ;

Besson, D. Z. ;

Binder, G. ;

Bindig, D. ;

Bissok, M. ;

Blaufuss, E. ;

Blot, S. ;

Bohm, C. ;

Boerner, M. ;

Bos, F. ;

Bose, D. ;

Boeser, S. ;

Botner, O. ;

Braun, J. ;

Brayeur, L. ;

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Ahlers, M. ;

Ahrens, M. ;

Altmann, D. ;

Anderson, T. ;

Archinger, M. ;

Arguelles, C. ;

Arlen, T. C. ;

Auffenberg, J. ;

Bai, X. ;

Barwick, S. W. ;

Baum, V. ;

Bay, R. ;

Beatty, J. J. ;

Tjus, J. Becker ;

Becker, K. -H. ;

Beiser, E. ;

BenZvi, S. ;

Berghaus, P. ;

Berley, D. ;

Bernardini, E. ;

Bernhard, A. ;

Besson, D. Z. ;

Binder, G. ;

Bindig, D. ;

Bissok, M. ;

Blaufuss, E. ;

Blumenthal, J. ;

Boersma, D. J. ;

Bohm, C. ;

Boerner, M. ;

Bos, F. ;

Bose, D. ;

Boeser, S. ;

Botner, O. ;

Braun, J. ;

Brayeur, L. ;

Bretz, H. -P. ;

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Buzinsky, N. ;

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Archinger, M. ;

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Auffenberg, J. ;

Bai, X. ;

Barwick, S. W. ;

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Beatty, J. J. ;

Tjus, J. Becker ;

Becker, K. -H. ;

Beiser, E. ;

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Berghaus, P. ;

Berley, D. ;

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Besson, D. Z. ;

Binder, G. ;

Bindig, D. ;

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Blaufuss, E. ;

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Bohm, C. ;

Boerner, M. ;

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Boeser, S. ;

Botner, O. ;

Braun, J. ;

Brayeur, L. ;

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Buzinsky, N. ;

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ASTROPHYSICAL JOURNAL, 2015, 809 (01)

[7] Flavor Ratio of Astrophysical Neutrinos above 35 TeV in IceCube [J].

Aartsen, M. G. ;

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Ahrens, M. ;

Altmann, D. ;

Anderson, T. ;

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Beatty, J. J. ;

Tjus, J. Becker ;

Becker, K. -H. ;

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Berghaus, P. ;

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Bernardini, E. ;

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Besson, D. Z. ;

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Bindig, D. ;

Bissok, M. ;

Blaufuss, E. ;

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Tjus, J. Becker ;

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BenZvi, S. ;

Berghaus, P. ;

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Bernardini, E. ;

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Besson, D. Z. ;

Binder, G. ;

Bindig, D. ;

Bissok, M. ;

Blaufuss, E. ;

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Bohm, C. ;

Bose, D. ;

Boeser, S. ;

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Brayeur, L. ;

Bretz, H-P. ;

Brown, A. M. ;

Bruijn, R. ;

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Casier, M. ;

Chirkin, D. ;

Christov, A. ;

Christy, B. ;

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Benabderrahmane, M. L. ;

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Berley, D. ;

Bernardini, E. ;

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Bertrand, D. ;

Besson, D. Z. ;

Binder, G. ;

Bindig, D. ;

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Blaufuss, E. ;

Blumenthal, J. ;

Boersma, D. J. ;

Boliaichuk, S. ;

Bohm, C. ;

Bose, D. ;

Boeser, S. ;

Botner, O. ;

Brayeur, L. ;

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Brunner, J. ;

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Chirkin, D. ;

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[10] First Observation of PeV-Energy Neutrinos with IceCube [J].

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Barwick, S. W. ;

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Bechet, S. ;

Tjus, J. Becker ;

Becker, K. -H. ;

Bell, M. ;

Benabderrahmane, M. L. ;

BenZvi, S. ;

Berdermann, J. ;

Berghaus, P. ;

Berley, D. ;

Bernardini, E. ;

Bernhard, A. ;

Bertrand, D. ;

Besson, D. Z. ;

Binder, G. ;

Bindig, D. ;

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Bohaichuk, S. ;

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Boeser, S. ;

Botner, O. ;

Brayeur, L. ;

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Brunner, J. ;

Carson, M. ;

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Chirkin, D. ;

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PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2013, 111 (02)

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共 182 条

[1] Measurements using the inelasticity distribution of multi-TeV neutrino interactions in IceCube [J].

Aartsen, M. G. ;

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Anderson, T. ;

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Auffenberg, J. ;

Axani, S. ;

Backes, P. ;

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Axani, S. ;

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Beatty, J. J. ;

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BenZvi, S. ;

Berley, D. ;

Bernardini, E. ;

Bernhard, A. ;

Besson, D. Z. ;

Binder, G. ;

Bindig, D. ;

Bissok, M. ;

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Blot, S. ;

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Bohm, C. ;

Boerner, M. ;

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[4] OBSERVATION AND CHARACTERIZATION OF A COSMIC MUON NEUTRINO FLUX FROM THE NORTHERN HEMISPHERE USING SIX YEARS OF ICECUBE DATA [J].

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Braun, J. ;

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Blaufuss, E. ;

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Bohm, C. ;

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Auffenberg, J. ;

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Tjus, J. Becker ;

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Beiser, E. ;

BenZvi, S. ;

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