[論文レビュー] Arrays is Space to detect Upward Tau and Highest Altitude Showers

Daniele Fargion|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2001

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、宇宙ベースおよび高高度気球アレイを用いて、超高エネルギー（UHE）上向きタウニュートリノおよび関連するエアショワー（UPTAUS、HORTAUS、HIAS）を検出することを提案する。地球の磁場がショワー粒子を二重ビーム弧に deflect させ、薄い大気層におけるエネルギー依存のショワー発達を活用することで、特徴的な形態的および方向的特徴により、希少なUHEニュートリノ相互作用を検出可能となる。

ABSTRACT

Ultra High Energy, UHE, upward Tau neutrinos Tau, anti-neutrino Tau, above hundred TeVs and up to tens PeV energies, of relevant astrophysical nature, may lead to UHE Taus and consequent Up-ward Tau air-Showers {UPTAUS} after interaction on Earth crust surface. The UPTAUS discover may open a new UHE Tau Neutrino Astrophysics. A new generation of Gamma, X, optical and Radio Arrays in Space may discover, in the same Auger spirit, such up-coming Air-showers as well as an additional Tau signal: the nearly Horizontal Tau AIR-Shower {HORTAUS} originated by UHE neutrinos tau at 10^{19} eV energies arising from a thin Earth crust corona at few tens of degree below the horizons; a degree above the horizons, there should be over common diffused cosmic ray albedo, an additional High Altitudes (nearly Horizontal) Showers {HIAS}, by more common Cosmic Rays primaries at PeVs up to EeV and ZeV energies, both of hadronic or of electro-magnetic $γ$ nature. Mini-arrays detectors in high Altitude Balloons tails facing the horizons and the Earth below may also reveal both UPTAUS, and HIAS, and more rarely HORTAUS. Gamma Burst, Cherenkov flashes and rarer muons observed by high mountains peak arrays or high quota balloon array may better probe UPTAUS and HORTAUS. Present and future X-Gamma satellites as Beppo-Sax may be also able to discover HORTAUS and HIAS discovering transient events by UHE source (as the Crab) while in occultation by Earth. Because of the large shower distances and the Earth magnetic field, HIAS and HORTAUS showers will be split in a {Twin-Beams} fan-shaped wide arc, orthogonal to the terrestrial magnetic field, with a strong azimuths modulation. Gamma bursts with rare single muons or neutrons at the horizon, associated with HIAS, HORTAUS may be discovered by Glast and AMS satellite.

研究の動機と目的

• 超高エネルギー（UHE）上向きタウニュートリノ（$\nu_{\tau}$）およびその崩壊生成物であるエアショワーの検出可能性を調査すること。
• UHEニュートリノに対する地球の不透明性の問題に対処し、地球の下部マントルおよび大気中における希少な相互作用窓を同定すること。
• 宇宙ベースおよび高高度プラットフォームを用いた、UPTAUS（上向きタウエアショワー）、HORTAUS（ほぼ水平なタウショワー）、HIAS（高高度ショワー）のための新しい検出戦略を提案すること。
• 幾何学的特徴、エネルギー依存性、磁場効果に基づいて、これらの新規ショワー型を従来の下向きエアショワーと区別すること。
• 特徴的なショワーモルフォロジーおよび方位角モodulationを通じて、UHEニュートリノ源の新たな天体物理学的プローブを可能にすること。

提案手法

• 10^{14}–10^{16} eV のエネルギー領域における地球の下部マントル内でのUHE $\nu_{\tau}$ 相互作用をモデル化し、上向きタウエアショワー（UPTAUS）を生成すること。
• ランダウ＝ポメランチューク＝ミガリ（LPM）効果およびタウ粒子の崩壊運動論を用いて、ショワーの発達および組成（ハドロン的、電磁的、またはハイブリッド）を予測すること。
• ショワーの斜め深度および崩壊長の超越方程式を適用し、HIASおよびHORTAUSの最適なショワー生成高度（$h_1$, $h_3$）を決定すること。
• ショワー粒子が地球の磁場に起因して二重ビームで扇形に広がる弧状に deflect される現象をシミュレートし、強い方位角モodulationを示すこと。
• HIASおよびHORTAUSの軌道およびエネルギー依存性を分析し、直接的なUPTAUSおよび背景の宇宙線アルベドと区別すること。
• 高高度気球アレイおよび衛星ベースの機器（例：GLAST、AMS）を用いて、タイミング、スペクトル、および角度的特徴に基づき、これらの希少なイベントを検出することを提案すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 100 TeV 以上のエネルギーで、地球の下部マントル内でのUHE $\nu_{\tau}$ 相互作用が検出可能な上向きタウエアショワー（UPTAUS）を生成できるか？
• RQ2 GZKカット付近での接線的 $\nu_{\tau}$ 相互作用から、HORTAUS（ほぼ水平なタウショワー）を形成するための最適なエネルギーおよび幾何学的条件は何か？
• RQ3 地球の磁場は、UPTAUSおよびHORTAUSからのショワー粒子の軌道および方位分布にどのように影響を与えるか？
• RQ4 高高度気球および衛星アレイは、形態的およびタイムイングの特徴に基づいて、HIAS（UHECR由来の高高度ショワー）をUPTAUSおよびHORTAUSと区別できるか？
• RQ5 HIASおよびHORTAUSの特徴的なショワー発達深度および崩壊長は何か？また、エネルギーおよび粒子種別によってどのように変化するか？

主な発見

• UPTAUSは 10^{15}–10^{16} eV のエネルギー領域で予測され、大気密度が低いため、高高度（44–42 km）でショワー発達が進行する。
• HORTAUSのショワー生成は特徴的な高さ23 kmで発生し、タウ粒子の崩壊長は546 kmであり、最大で 1.11 \times 10^{19} eV のエネルギーまで検出可能である。
• HIASでは、ハドロン的ショワーに対して最適なショワー発達高度は $h_{1_{\text{Had.}}} = 44.08 - 8.55 \ln[1 + 0.02523 \ln(E/10^{19}\text{eV})]$ km である。
• HIASおよびHORTAUSの軌道は、地球の磁場によって二重ビームで扇形の弧に曲げられ、東西方向で最大の deflect が生じ、南北方向で最小となる。
• 磁場による deflect は、ショワー強度に強い方位角モodulationを引き起こし、背景からの区別に特徴的なシグネチャを提供する。
• 20–30 km の高度に位置する高高度気球アレイは、地上の検出器とは異なり、地平線の上部および下部の両方のイベントを観測できるため、HIASおよびHORTAUSの検出に最適である。