利用超高能宇宙射线搜寻中性轻子

新一代大体积探测器，如 GRAND、POEMMA、Trinity、TAROGE-M、TAMBO 或 PUEO，旨在以空前灵敏度搜寻超高能宇宙射线（UHECRs）。我们提议利用这些探测器搜寻标准模型之外的新物理（BSM）。通过考虑一个右手性中微子仅与活性 $\tau$ 中微子混合的简单情形，我们论证了新物理的存在可提高 UHECRs 穿过地球并产生广延空气簇射的概率，此类簇射不久即可被测量。我们比较了在标准模型下以及存在右手性中微子时，由各类弥散和瞬态高能中微子源所产生的此类簇射的通量。我们表明，探测出射角 $\gtrsim 10$ 度的事件有望探查 BSM 物理的存在，并研究了 GRAND 与 POEMMA 对此的灵敏度。特别地，我们显示，质量在 $\mathcal O(1-16)$ GeV 的右手性中微子假说可在未来被探测，其混合角小至 $|U_{\tau N}|^2 \gtrsim 10^{-7}$，从而与现有及规划中的实验限制相竞争。