[論文レビュー] Impact of high-energy hadron interactions on the atmospheric neutrino flux predictions

A. A. Kochanov, T. S. Sinegovskaya+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、10–10⁷ GeVエネルギー範囲における大気中ミューオンニュートリノフラックス予測に与える高エネルギー強子相互作用モデル（SIBYLL 2.1、QGSJET-II、Kimel-Mokhov）の影響を調査する。GHおよびZSモデルの一次宇宙線スペクトルを用いた1次元カスケード計算により、モデル間のカイオン生成差が1 TeVで最大1.8倍のフラックス変動を引き起こすことが判明。ニュートリノフラックス予測はミューオンフラックスよりも強子モデルにより敏感であることが示された。

ABSTRACT

We study the influence of hadron interaction features on the high-energy atmospheric neutrino spectrum. The 1D calculation is performed with use of the known high-energy hadronic models, SIBYLL 2.1, QGSJET-II, Kimel and Mokhov, for the parameterizations of primary cosmic ray spectra issued from the measurement data. The results are compared with the Frejus data and AMANDA-II measurements as well as with other calculations. Sizable difference of the neutrino fluxes (up to the factor of 1.8 at 1 TeV) that are obtained with the SIBYLL and QGSJET-II appears to be rather unexpected keeping in mind the hadron and muon flux calculations in the same energy region.

研究の動機と目的

• 高エネルギー強子相互作用モデルが大気中ミューオンニュートリノフラックス予測に与える影響を評価すること。
• 特にカイオンおよびパイオン生成の変動に起因するニュートリノフラックスへの感受性を評価すること。
• AMANDA-IIおよびFrejusの実験データ、および既存の計算と比較して、モデル予測を検証すること。
• 大気中ミューオンフラックスが強子相互作用モデルを信頼性高く区別できるかどうかを検討すること。
• フラックス変動がプロンプトニュートリノフラックスモデルおよび天体的ニュートリノ背景制約に与える影響を検討すること。

提案手法

• 大気中のニュートリノフラックスを1次元カスケード計算により予測する。強子カスケード方程式を解く手法を用いる。
• 粒子生成断面積に、SIBYLL 2.1、QGSJET-II 03、およびKimel-Mokhov（KM）モデルを用いる。
• 2つの一次宇宙線スペクトル（Gaisser-Honda（GH）およびZatsepin-Sokolskaya（ZS））を用い、ZSはATIC-2およびKASCADEデータに適合している。
• プロトン-空気衝突におけるスケーリング行動および粒子生成収量を定量化するために、スペクトル加重モーメント（z_pc）を計算する。
• パイオン、カイオン、ミューオンの崩壊寄与（特に半レプトン的K→π→ν_μ崩壊鎖）を含む。
• AMANDA-IIおよびFrejusのデータ、および先行計算（例：BGLRS、Naumovら）との比較を通じて妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SIBYLL 2.1、QGSJET-II、KMといった異なる高エネルギー強子相互作用モデルが、高エネルギー大気中ミューオンニュートリノフラックス予測にどのように影響を与えるか？
• RQ2 カイオン崩壊とパイオン崩壊の相対的寄与は、エネルギーおよびモデルに依存してどのように変化するか？
• RQ3 一次宇宙線スペクトルの変動（GH対ZS）が、強子モデルの差異と比較して予測フラックスにどの程度の影響を与えるか？
• RQ4 同じ生成メカニズムを共有しているにもかかわらず、なぜニュートリノフラックス予測のずれがミューオンフラックス予測のずれよりも大きいのか？
• RQ5 現在の拡散ニュートリノフラックスの実験的上限（例：AMANDA-II）は、異なる強子相互作用から導かれるプロンプトニュートリノフラックスモデルと整合しているか？

主な発見

• SIBYLL 2.1およびQGSJET-IIモデルによる大気中ミューオンニュートリノフラックスは、1 TeVで最大1.8倍の差を示すが、それらのハドロンおよびミューオンフラックス予測は類似している。
• この差の主な要因は、核子-核種衝突におけるカイオン生成収量のモデル差異であり、カイオン崩壊鎖がニュートリノフラックスに強く影響するためである。
• カイオン寄与はパイオン寄与よりも顕著に高い—10³ GeVでν_K/ν_π ≈ 4、μ_K/μ_π ≈ 0.25であり、ニュートリノ収量に非線形的影響を及ぼしていることが示唆される。
• QGSJET-II + ZSモデルによる従来のニュートリノフラックスは、テストしたモデルの中で最も低く、90°天頂角、100 TeVエネルギーでE²ϕ_ν ≈ 1.20×10⁻⁸ cm⁻² sr⁻¹ GeVである。
• QGSMモデルによるプロンプトニュートリノフラックス予測（1.22×10⁻⁸ cm⁻² sr⁻¹ GeV）は、100 TeVにおけるAMANDA-IIの上限（7.4×10⁻⁸ cm⁻² sr⁻¹ GeV）と整合している。
• RQPMおよびQGSMプロンプトニュートリノフラックスモデルは両方ともAMANDA-IIの上限と整合しているが、VZおよびRQPMの予測は高エネルギー域で上限を超える。