[論文レビュー] Direct Measurement of the Atmospheric Muon Energy Spectrum with IceCube

Patrick Berghaus|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、22ストリング構成におけるアイスカブ neutrino検出器を用いて、ミューオン誘発光信号を活用して大気ミューオンエネルギー分布を直接測定する手法を提示している。この手法は約100 TeVまで感度を発揮し、データとシミュレーションの間に良好な一致を示しており、大規模なニュートリノ望遠鏡が「膝」領域近傍の宇宙線組成を調査可能であることを示している。

ABSTRACT

Data from the IceCube detector in its 22-string configuration (IC22) were used to directly measure the atmospheric muon energy spectrum near the horizon. After passage through more than 10 km of ice, muon bundles from air showers are reduced to single muons, whose energy can be estimated from the total number of photons registered in the detector. The energy distribution obtained in this way is sensitive to the cosmic ray composition around the knee and is complementary to measurements by air shower arrays. The method described extends the physics potential of neutrino telescopes and can easily be applied in similar detectors. Presented is the result from the analysis of one month of IC22 data.

研究の動機と目的

• 従来の地下検出器では到達できないエネルギー領域における大気ミューオンエネルギースペクトルの直接測定を目的とする。
• 宇宙線スペクトルの「膝」領域における宇宙線組成を、ミューオンエネルギー分布を用いて探査することを目的とする。
• アイスカブのようなニュートリノ望遠鏡が、個々のミューオンを解像できないにもかかわらず、高エネルギーミューオン分光器として機能可能であることを実証することを目的とする。
• 大気におけるミューオンエネルギーを推定するための表面エネルギープロキシ（total photon multiplicity と slant depth を用いる）の開発と検証を目的とする。
• 大気レプトンフラックスモデルの系統的不確実性を低減することで、広がりのある宇宙背景ニュートリノ信号に対する感度を向上させることを目的とする。

提案手法

• 解析にはIC22の1か月分のデータを用い、10 kmを超える氷を通過する際の最大の透過を実現するため、水平方向のミューオンイベントに焦点を当てる。
• ミューオンエネルギーは、表面エネルギープロキシ $\tilde{e}_{\text{surf}}$ を用いて推定され、これは $\log(n_\gamma) \cdot d_{\text{slant}}$ に比例する。ここで $n_\gamma$ は全検出光子数、$d_{\text{slant}}$ は斜方深度を表す。
• プロキシは、標準的な $E^{-3.7}$ スペクトル下での平均 $\log(E_{\mu,\text{surf}}/\text{GeV})$ と一致するように、モンテカルロシミュレーションを用いてキャリブレーションされる。
• この手法は、束縛内の最も高エネルギーのミューオンが検出器応答を支配すると仮定しており、低エネルギーの軌跡を無視できるとみなしている。
• プロキシのエネルギー分解能は、測定範囲全域で $\Delta\log_{10}(E) \approx 0.3-0.4$ と定量化されている。
• プロキシの線形性と各エネルギー区間におけるガウス的広がりの検証には、シミュレートされたミューオン多重度とエネルギー分布が用いられている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アイスカブのような大規模ボリュームニュートリノ検出器が、70 TeVを超える領域で大気ミューオンエネルギースペクトルを直接測定可能か？
• RQ2 現在の宇宙線組成モデル（剛性依存、質量依存、定数モデル）は、アイスカブで観測されたミューオンエネルギースペクトルをどの程度正確に再現できるか？
• RQ3 検出器の粗さと氷中でのエネルギー損失を考慮した場合、表面エネルギープロキシ $\tilde{e}_{\text{surf}}$ が大気におけるミューオンエネルギーをどの程度正確に再構成できるか？
• RQ4 IC22データは、膝領域近傍における宇宙線組成モデルの違いをどの程度区別できるか？
• RQ5 検出器応答の系統的不確実性は、ミューオンエネルギースペクトル測定の信頼性にどの程度影響を及えるか？

主な発見

• IC22データを用いた測定されたミューオンエネルギースペクトルは、約100 TeVまで延びており、以前の上限からほぼ3倍のエネルギー範囲をカバーしている。
• 全エネルギー範囲にわたり、データとシミュレーションのイベント率に良好な一致が見られ、$\tilde{e}_{\text{surf}} < 5$ の範囲では、データ/シミュレーション比が±10%の範囲に収まっている。
• $\tilde{e}_{\text{surf}} > 5$（$E_{\mu} > 100$ TeVに対応）では、データとして3件のイベントしか記録されておらず、最高エネルギー領域での統計的精度が低いことが示された。
• 最高エネルギー領域のビン（$5.1 < \tilde{e}_{\text{surf}} < 5.2$）における予測イベント数は、定数組成モデルに基づくと約10件である。これは、現在のデータが3つの組成モデルのいずれも明確に除外できないことを示唆している。
• エネルギープロキシ $\tilde{e}_{\text{surf}}$ の分解能は $\Delta\log_{10}E \approx 0.3-0.4$ であり、検出器応答とミューオンエネルギー損失の予想と整合的である。
• 解析により、シャワー内での最も高エネルギーのミューオンが信号を支配することが確認され、低エネルギーのミューオンを無視できるという仮定の妥当性が裏付けられた。