IceCube DeepCore's sensitivity to Non-Standard neutrino Interactions in the Earth

技術要約：IceCube DeepCoreによる地球内の非標準相互作用に対する感度

問題提起
ニュートリノ振動は、標準模型を超える物理（BSM）を発見するための主要な手段であり続けている。非標準相互作用（NSI）は、ニュートリノが物質中を通過する際に振動確率を乱す可能性のある、BSM的なニュートリノと物質の結合の一種である。本解析では、以下の2つの具体的な動機に基づいている。

1. 大気ニュートリノ： これらは宇宙線から生成され、数キロメートルから地球の直径に及ぶ基線を横断する。地球内におけるいかなるNSIも、その振動確率を変化させる可能性があり、検出のためのユニークなシグネチャを提供する。
2. T2K-NOvA間のテンション： 現在、T2KとNOvAという長基線実験の間で、測定されたCP対称性の破れの位相 $\delta_{CP}$ の値に（現在 $\sim 2\sigma$ の）懸念が生じている。NOvAはT2Kよりも地球を通過する基線が著しく長いため、物質効果がより強く現れる。先行研究では、非ゼロのNSI結合（$\varepsilon_{e\mu}$ および $\varepsilon_{e\tau}$）を導入することで、この不一致を解消できることが示唆されている。

手法
本研究では、9.28年分のIceCube DeepCore検出器のデータを用いて、NSIに対する感度を評価する。解析には、NSIに対するモデルに依存しないパラメータ化を用い、標準相互作用（SI）仮説と比較を行う。

• パラメータ化： 解析では、一般化物質ポテンシャル（GMP）フレームワークを採用している。摂動的な結合強度 $\varepsilon_{\alpha\beta}$ を持つ標準的な物質ハミルトニアンから出発し、非物理的なグローバル位相を差し引き、ハミルトニアンを回転行列に分解する。保守的な制約を導出するために、解析では固有値 $\varepsilon' = 0$（NSI効果が真空振動を模倣する場合）を設定し、IceCubeの限定的な感度を考慮してCP位相（$\alpha_1, \alpha_2, \delta_{NS}$）を無視する。これにより、パラメータ空間は以下の3つの独立したGMPパラメータに削減される：
  • $\varepsilon$：NSIの強度を制御する全体的なスケーリング因子（逆質量順序をテストするために負の値も許容する）。
  • $\varphi_{12}$ および $\varphi_{13}$：$e-\mu$ セクターおよび $e-\tau$ セクターにおいて、一次のNSI誘起振動を導入する回転角。
  • SIの場合、$\varepsilon = 1$ かつ $\varphi_{12} = \varphi_{13} = 0$ である。
• データ選択： 事前に選択されたDeepCoreデータを用いて訓練されたアルゴリズムにより、イベントを再構成する。データセットは、ニュートリノエネルギー（5–100 GeVの間の12個の対数ビン）と天頂角（$\cos\theta$ が-1から0までの8個のビン）によってビン分割される。イベントは形態（ミューオンニュートリノのチャージカレントであるトラック、電子/タウニュートリノのチャージカレントおよび全てのニュートラルカレントを含むカスケード、および混合イベント）ごとに分類される。
• 統計解析： 感度は、有限のモンテカルロ統計を考慮した修正 $\chi^2$ テスト統計量（$\chi^2_{mod}$）を用いて計算される。解析ではSIケースが観測データを表していると仮定し、様々なNSI仮説の下でのシミュレーションされたイベント数に対してテスト統計量を計算する。

主な貢献と結果
本研究の主な貢献は、以前の3年間のDeepCore NSI解析よりも約4倍大きいデータセットに基づいた、更新された感度の投影を提示することである。

• GMPパラメータの感度： 解析は、以前の3年間の結果に対して2〜3倍の感度向上を示している。
  • $\varepsilon$： SI仮説の下での投影された $1\sigma$ 制約は、逆質量順序で $(-1.67, -0.39)$、正質量順序で $(0.36, 2.64)$ である。
  • $\varphi_{12}$ および $\varphi_{13}$： 投影された $1\sigma$ 境界は、それぞれ $(-4.15^\circ, 4.72^\circ)$ および $(-8.7^\circ, 9.28^\circ)$ である。
• T2K-NOvAテンションの解消： 本研究では、$\delta_{CP}$ テンションを解消するために提案されているNSI結合 $\varepsilon_{e\mu}$ および $\varepsilon_{e\tau}$ を具体的にテストする。
  • SIケース（NSIなし）を仮定すると、解析は（結合されたT2K-NOvAのフィットから導出された）$\varepsilon_{e\mu}$ および $\varepsilon_{e\tau}$ の最良適合値を、$2.13\sigma$ および $4.15\sigma$ の有意水準で排除できる。
  • NSIが存在しない場合のこれらの結合の大きさに関する投影された $2\sigma$ 境界は、$\varepsilon_{e\mu}$ に対して $(0, 0.11)$、$\varepsilon_{e\tau}$ に対して $(0, 0.175)$ である。
  • 解析では、SI仮説の下ではこれらのパラメータの位相に対する感度はなく、それらはこの領域では無関係であるとみなされる。

意義と主張
著者らは、9.28年分のデータを用いることで、IceCube DeepCoreが検討されているNSIパラメータに対して主要な制約を提供できる立場にあると主張している。解析は、改善された感度によって、NSIがT2K-NOvAの $\delta_{CP}$ テンションの原因であるかどうかについて「強い主張」が可能であることを示している。具体的には、もしSI仮説が真であるならば、T2K-NOvAのテンションを解消するために必要な特定のNSI構成は、大幅に否定される可能性があることを結果は示している。論文は、これらの制約が長基線振動実験間のテンションの起源を解明する上で極めて重要になると結論付けている。