[論文レビュー] Electron and Photon Interactions in the Regime of Strong LPM Suppression

L. Gerhardt, Klein, Spencer R.|eScholarship (California Digital Library)|Jun 30, 2010

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、超高エネルギーニュートリノシャワーにおける電子および光子の相互作用を現象論的にモデル化し、強力なLPM抑制および10^20 eVを超える領域で支配的となる光核反応／電子核反応を考慮している。シャワー長は極端なエネルギー域でも僅かに増加するのみで、10^24 eVに達しても約1 kmにとどまり、電子励起シャワーからの電波放射が検出可能であり、今後の宇宙ニュートリノ探索における感度が著しく向上することが示された。

ABSTRACT

Most searches for ultra-high energy (UHE) astrophysical neutrinos look for radio emission from the electromagnetic and hadronic showers produced in their interactions. The radio frequency spectrum and angular distribution depend on the shower development, so are sensitive to the interaction cross sections. At energies above about 10^{16} eV (in ice), the Landau-Pomeranchuk-Migdal (LPM) effect significantly reduces the cross sections for the two dominant electromagnetic interactions: bremsstrahlung and pair production. At higher energies, above about 10^{20} eV, the photonuclear cross section becomes larger than that for pair production, and direct pair production and electronuclear interactions become dominant over bremsstrahlung. The electron interaction length reaches a maximum around 10^{21} eV, and then decreases slowly as the electron energy increases further. In this regime, the growth in the photon cross section and electron energy loss moderates the rise in nu_e shower length, which rises from ~10 m at 10^{16} eV to ~50 m at 10^{19} eV and ~100 m at 10^{20} eV, but only to ~1 km at 10^{24} eV. In contrast, without photonuclear and electronuclear interactions, the shower length would be over 10 km at 10^{24} eV.

研究の動機と目的

• 標準的な電磁過程がLPM効果によって抑制される超高エネルギー領域における氷中での電子および光子シャワーの発展をモデル化すること。
• 10^20 eVを超えるエネルギー領域において、光核反応および電子核反応がシャワー成長に与える影響を調査すること。
• これらの過程を組み込むことでシャワー長および電波放射可能性に与える影響を定量化すること、特にνₑ誘発シャワーに焦点を当てる。
• 電子励起シャワーからの電波チェレンコフ放射の検出可能性を評価し、今後のニュートリノ実験に与える意味を検討すること。
• LPM抑制および追加のハドロン的相互作用を含む・含まない場合の電磁シャワー長を比較し、特に10^20 eVを超えるエネルギー領域で検討すること。

提案手法

• LPM抑制および誘電体スクリーニング効果を組み込んだ、電子および光子の相互作用断面積を現象論的に計算する手法を用いる。
• Bethe-Heitler形式を用いてブレムストラールおよび対生成を扱い、LPMおよび誘電体抑制要因を修正として適用する。
• 光核反応および電子核反応の寄与を含めた、電子および光子の有効相互作用長を導入する。
• エネルギー範囲にわたるエネルギー損失および相互作用長の追跡を可能にするモンテカルロ風のアプローチを用いてシャワー発展をモデル化する。
• 相互作用長の合算とエネルギー損失メカニズムの考慮を組み合わせ、全シャワー長を計算し、純粋な電磁的およびハドロン的シャワーと比較する。
• 交互にエネルギーを半分に分割する2粒子生成の単純化シャワーモデルを用い、臨界エネルギーに達するまで繰り返し、相互作用長およびシャワー成長を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 10^20 eVを超えるエネルギー領域における氷中で、電子励起シャワーの発展にLPM抑制および光核反応／電子核反応がどのように影響を与えるか？
• RQ2 強いLPM抑制および追加の相互作用を含めた場合、10^24 eVにおけるνₑ誘発シャワーのシャワー長はどの程度になるか？
• RQ3 超高エネルギー領域において、電子励起シャワーの電波放射可能性はハドロン的シャワーと比べてどの程度か？
• RQ4 光核反応および電子核反応が、純粋な電磁過程と比較してシャワー長の増加をどの程度抑制するか？
• RQ5 極端なエネルギー域においてシャワー構造が長大化しても、電子励起シャワーは依然として検出可能なコherent電波チェレンコフ放射を生成できるか？

主な発見

• 10^24 eVにおいて、光核反応および電子核反応の寄与を含めると電磁シャワー長は約1 kmに達するが、それらを含めなければ10 kmを超える。
• 10^20 eVを超える領域では、光核反応および電子核反応が支配的となり、シャワー長の増加は僅かに抑えられる。
• 電子の相互作用長は、10^21 eV付近で最大値に達し、その後高エネルギー域でゆっくり減少する。
• 10^24 eVにおいて、電子励起シャワーはハドロン的シャワーの約30倍の長さにしかならず、その電波放射は検出可能である可能性がある。
• LPM抑制および追加の相互作用がなければ、10^24 eVでシャワー長は10 kmを超えるが、強い抑制およびハドロン的過程の導入により、約1 kmに制限される。
• シャワーの延長にもかかわらず、エネルギー損失が十分にコherentlyかつ角度的に集中しているため、電子シャワーからの電波放射は検出可能である。