在宇宙射线束流靶实验中检验重中性轻子

在这项工作中，我们讨论了利用“宇宙射线束流靶”实验检验重中性轻子（HNLs）的可能性。类比地面束流靶实验——其中束流先撞击靶再被屏蔽层吸收——我们考虑高能入射宇宙射线轰击地球大气层然后撞击地球表面。我们在此聚焦于由大气中产生的介子、π介子和$D$介子衰变产生的HNL，并讨论SHALON切伦科夫望远镜观测到的出现式切伦科夫簇射以及中微子实验ANITA探测到的超高能事件的可能解释。我们表明，这些观测无法用长寿命HNL解释，因为相关参数空间已被现有约束排除。随后我们提出两种受这些实验启发的新实验装置，即一台指向地平线并被索尔峰山崖屏蔽的切伦科夫望远镜，以及一颗观测撒哈拉沙漠部分区域的地球静止卫星。我们表明，索尔峰的切伦科夫望远镜可探测当前未检验的、质量低于介子质量的HNL参数空间。我们还表明，地球静止卫星实验可显著扩大HNL参数空间的覆盖范围，质量范围从10 MeV到2 GeV，并将中微子混合$|U_{\alpha4}|^2$的检验下限推至$10^{-11}$（对应质量约300 MeV）。