[論文レビュー] Horizontal Tau air showers from mountains in deep valley. Traces of UHECR neutrino tau

Daniele Fargion, Andrea Aiello+1 more|ArXiv.org|Jun 28, 1999

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 30

ひとこと要約

本稿では、深谷の地形を活用して、超高エネルギー（UHE）トウニュートリノを水平空気シャワーとして検出する手法を提案する。長距離トウ崩壊が特徴的な蛍光/チェレノフ信号を発生させるが、谷の幾何学的構造によりミューオン背景を低減し、相対論的時間遅延を応用することでトウの軌跡の可視性を向上させる。この手法により、ペブロンエネルギー領域で年間数十件の観測可能なイベントが得られると予測され、km³規模の検出器に比べて低コストな代替手段を提供する。

ABSTRACT

Ultra High Energy (UHE) Tau neutrino may lead to a very peculiar imprint in future underground $Km^3$ detectors in water and ice as well as in air: rarest secondary tau tracks and decay which may exceed the muon ones. Indeed Bremsstrahlung at high energy lead to longer tracks for heavier leptons. Radiation lenght grows nearly with the square of the lepton mass. Indeed electrons are too light and their trace in matter (liquid or rock) is negligible (tens of centimeters); muons are much better observed, while tau are too short life time and too short range to be found. However, because relativistic time expansion, UHE tau traces in matter, above $10^{17} eV$, are relativistically boosted overcoming the corresponding muon tracks, already bounded by bremsstrahlung logarithmic regime. The tau crossing for Kms in water or ice may be confused with common muon tracks; their tau decay may be misunderstood as muonic catastrophic bremsstrahlung interactions. To economize UHE tau discovery, we suggest to look the tau decay in air into the deep valleys mountains, like Canyons or deep in excavation mines where horizontal air showers induce fluorescent or Cerenkov lights. The mountain valley width screens from horizontal secondary muons. The valley height increases the solid angle view. The horizontal air Kms-size gap offer a strong discriminator to filter UHE muons against tau. Tens event a year at PeV (W resonance peak) energies in $Km^3$ excavation gap should be observable . Hunting air shower in the night toward high mountains in Canyons or in a deep excavation may be the best and cheapest way to discover UHE neutrinos, either born by electron anti neutrino scattering on electrons at PeV energies, or by direct tau neutrino possibly relic of muonic flavour oscillation even at EeV energies.

研究の動機と目的

• UHEトウニュートリノは崩壊長が短いため、通常は観測が困難であるが、低コストで高感度で検出可能な手法の特定。
• 相対論的時間遅延とレプトン質量に比例するブレムストラール放射長スケーリングを活用し、物質内での長距離トウ軌跡の検出可能性を向上させる。
• 深谷や掘削された峡谷が、水平ミューオンを遮断することで「自然のkm³検出器」として機能し、トウ崩壊信号の可視性を高めることを示す。
• UHEニュートリノ天体物理学を調査するための、大型水中・氷上km³ニュートリノ検出器の代替手段を提供すること。
• 空気シャワー観測を通じて、EeVエネルギー領域でのντの直接実証的証拠と、可能性のあるフレーバー混合効果を明らかにすること。

提案手法

• UHEトウニュートリノが引き起こす水平空気シャワーを、深谷や山間の峡谷で観測する自然検出器として活用する。
• 谷の壁が水平ミューオンを遮断する幾何学的スクリーニング効果を活用し、ミューオンシャワー由来の背景を低減する。
• 高所にある谷の位置から得られる立体角が広がることで、検出効率を向上させる。
• 相対論的時間遅延を応用し、UHEトウの有効崩壊長を延長することで、ミューオンより長い軌跡を実現する。
• レプトン質量に比例する放射長スケーリング（R ∝ m⁻²）を応用し、高エネルギー領域でトウ軌跡がミューオン軌跡を上回ることを予測する。
• 有効トウ範囲Rτを、放射、崩壊、弱い相互作用の長さの逆数の和の逆数としてモデル化する：Rτ⁻¹ = R_Rτ⁻¹ + R_τ₀⁻¹ + R_Wτ⁻¹。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 深谷は、信号対背景比を向上させることで、UHEトウニュートリノの効果的自然検出器として機能できるか？
• RQ2 どのエネルギー閾値で、放射長スケーリングに起因する相対論的加速トウ軌跡がミューオン軌跡を上回るようになるか？
• RQ3 ペブロンエネルギー領域において、km³スケールの谷検出器で年間何件の観測可能なUHEトウ空気シャワーイベントが得られるか？
• RQ4 深谷内の水平空気シャワーは、ミューオンの崩壊的ブレムストラール放射とトウ崩壊を区別できるか？
• RQ5 観測されないトウシャワーの存在が、ニュートリノ混合モデルおよびSuperKamiokandeデータに与える制約は何か？

主な発見

• 相対論的時間遅延と質量に比例する放射長スケーリングにより、UHEトウ軌跡は~10¹⁸ eV以上のエネルギーでミューオン軌跡を上回るようになる。
• ~10¹⁸ eV以上のエネルギーで有効トウ範囲Rτがミューオン範囲Rμを上回り、特定の条件下でEτ = 10⁸ GeVでRτが最大で~1033 kmに達する。
• ペブロンエネルギー領域では、キマーブル・ダイヤモンド・マインやネバダ州の深谷など、km³スケールの谷検出器で年間数十件の観測可能なトウ空気シャワーイベントが得られるとモデルで予測される。
• 谷の幾何学的構造により水平ミューオン背景が低減され、空気中でのトウ崩壊信号の識別に強力な判別基準が得られる。
• この手法は、UHEニュートリノを検出するための、実現可能で低コストな代替手段を提供する。
• 観測されないトウシャワーの存在は、特にEeVエネルギー領域において、ニュートリノ混合モデルおよびSuperKamiokandeデータに強い制約をもたらす可能性がある。