[論文レビュー] Atmospheric leptons, the search for a prompt component

T. K. Gaisser|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 18被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、宇宙線由来のチャームハドロン崩壊によるプロンプトミューオンおよびニュートリノが、宇宙線ニュートリノの検出における重要なバックグラウンドを占めるという点に焦点を当て、大気中ニュートリノの理論的フラックスをレビューしている。解析的近似と一次宇宙線スペクトルを用いて、アイスカウブのような大規模体積検出器におけるイベントレートを推定し、100 TeV以上でプロンプトニュートリノが顕著に寄与することを示している。理想的な条件下では、100 TeV以上で1 km³あたり1年間に約5件の電子ニュートリノ相互作用が予想される。

ABSTRACT

The flux of high-energy (>GeV) neutrinos consists primarily of those produced by cosmic-ray interactions in the atmosphere. The contribution from extraterrestrial sources is still unknown. Current limits suggest that the observed spectrum is dominated by atmospheric neutrinos up to at least 100 TeV. The contribution of charmed hadrons to the flux of atmospheric neutrinos is important in the context of the search for astrophysical neutrinos because the spectrum of such "prompt" neutrinos is harder than that of "conventional" neutrinos from decay of pions and kaons. The prompt component therefore becomes increasingly important as energy increases. This paper reviews the status of the search for prompt muons and neutrinos with emphasis on the complementary aspects of muons, electron neutrinos and muon neutrinos.

研究の動機と目的

• 高エネルギー領域におけるチャームハドロン崩壊に起因するプロンプト大気ニュートリノの全ニュートリノフラックスへの寄与を評価すること。
• 特に100 TeVからペブ級のエネルギー範囲において、宇宙外ニュートリノ探索におけるプロンプトレプトンのバックグラウンドを定量化すること。
• 最新の加速器データとモデルを用いて、宇宙線衝突におけるチアム生成の理解を向上させること。
• アイスカウブのようなkm³スケールのニュートリノ検出器におけるミューオンおよび電子ニュートリノの検出可能なイベントレートを推定すること。
• ニュートリノ吸収および地球シャドー効果が上向きニュートリノ信号に与える影響を評価すること。

提案手法

• 磁気剛性とスペクトル指数でパラメータ化された、現象論的三集団モデルを一次宇宙線スペクトルに適用する。
• ハドロン衝突およびチアム生成断面積の解析的近似を用い、加速器およびLHC実験のデータを統合する。
• エネルギー依存の生成および崩壊チェインを用いて、従来のおよびプロンプトの大気ミューオンおよびニュートリノフラックスを計算する。
• 電荷現在断面積と検出器の幾何構造を用いて、ニュートリノ誘発ミューオンおよび電子ニュートリノカスケードの有効面積とイベントレートを推定する。
• エネルギーおよび天頂角依存の減衰を伴う指数的抑制を用いて、地球内でのニュートリノ吸収を組み込む。
• モンテカルロに類似した推定と解析的外挿を用いて、プロンプト成分の不確実性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 100 TeV以上のエネルギー領域において、大気ニュートリノのプロンプト成分はどの程度重要であるか？
• RQ2 アイスカウブのようなkm³スケールの検出器において、プロンプト源に起因する電子ニュートリノ相互作用の予想レートは何か？
• RQ3 ニュートリノ吸収および地球シャドー効果は、上向きのプロンプトニュートリノの検出にどのように影響を与えるか？
• RQ4 宇宙線衝突における内部的チアム生成が、高エネルギー大気レプトンフラックスにどの程度寄与するか？
• RQ5 一次宇宙線スペクトルおよびハドロン衝突モデルの不確実性が、プロンプトレプトンフラックスの予測に与える影響はどの程度か？

主な発見

• チャームハドロン崩壊に起因するプロンプトニュートリノフラックスは、100 TeV以上で重要性を増し、従来の大気ニュートリノよりもエネルギースペクトルがやや硬い。
• 理想的な検出器では、100 TeV以上で1 km³あたり1年間に約5件の電子ニュートリノ相互作用が予想され、1ペブ以上では10年間に1件未満となる。
• 地球内でのニュートリノ吸収は、100 TeVで上向きフラックスを9%、1ペブで23%抑制し、検出レートに顕著な影響を与える。
• プロンプト電子ニュートリノおよびミューオンニュートリノのフラックスはほぼ等しく、従来ニュートリノとは異なり、中性現在相互作用がプロンプト成分においては支配的でない。
• 100 TeV未満では従来の大気ニュートリノフラックスが支配的であるが、ペブ領域ではプロンプト成分が宇宙線ニュートリノ探索における主要なバックグラウンドである。
• 一次宇宙線スペクトルおよびチアム生成モデルにおける大きな不確実性が残っており、特にテルバおよびペブ領域で顕著であり、LHC実験からの新たなデータと改善されたモデルの必要性が示されている。