[論文レビュー] Measurement of the atmospheric muon charge ratio with the OPERA detector

OPERA Collaboration, N. Yu. Agafonova+183 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2010

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

ひとこと要約

本論文は、グランサソ地下研究所に設置されたOPERA検出器を用いて、大気中ミューオンの電荷比 $ R_{\mu} = N_{\mu^+}/N_{\mu^-} $ の高精度な測定を報告する。113.4日間のライブタイムにわたり403,069個の大気ミューオンを分析し、モンテカルロシミュレーションを用いて電荷誤識別を補正した結果、パイオンおよびカイオンの電荷比はそれぞれ $ R_\pi = 1.229 \pm 0.001 $ および $ R_K = 2.12 \pm 0.03 $ と決定され、テルバ・エナジー領域における大気ミューオン生成モデルに対する強い制約が得られた。

ABSTRACT

The OPERA detector at the Gran Sasso underground laboratory (LNGS) was used to measure the atmospheric muon charge ratio in the TeV energy region. We analyzed 403069 atmospheric muons corresponding to 113.4 days of livetime during the 2008 CNGS run. We computed separately the muon charge ratio for single and for multiple muon events in order to select different energy regions of the primary cosmic ray spectrum and to test the charge ratio dependence on the primary composition. The measured charge ratio values were corrected taking into account the charge-misidentification errors. Data have also been grouped in five bins of the "vertical surface energy". A fit to a simplified model of muon production in the atmosphere allowed the determination of the pion and kaon charge ratios weighted by the cosmic ray energy spectrum.

研究の動機と目的

• OPERA検出器を用いて、グランサソ地下研究所でTeVエネルギー領域の大気ミューオン電荷比 $ R_{\mu} $ を測定すること。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、検出器に起因する電荷誤識別誤差を補正すること。
• 測定された $ R_{\mu} $ から、宇宙線エネルギースペクトルに重み付けされたパイオンおよびカイオンの電荷比 $ R_\pi $ と $ R_K $ を決定すること。
• 高エネルギー領域における、charm粒子崩壊からのプロンプトミューオンの寄与の可能性を調査すること。
• 単一ミューオンおよび複数ミューオンイベントの別々の解析を通じて、主宇宙線組成への測定感度を評価すること。

提案手法

• OPERA検出器は、2008年のCNGS実験期間中に113.4日間のライブタイムにわたり403,069個の大気ミューオンを収集した。データは「垂直表面エネルギー」$ \mathcal{E}_{\mu}\cos\theta $ ごとにグループ化された。
• 単一ミューオンおよび複数ミューオンイベントごとに別々にミューオン電荷比 $ R_{\mu} $ を計算し、主宇宙線スペクトルの異なる領域を探索した。
• 電荷誤識別誤差は、モンテカルロシミュレーションに基づく行列アンフォールディング法を用いて補正した。誤識別率が対称であると仮定し、$ \eta^{+-} = \eta^{-+} = \eta $ とした。
• アンフォールディング式 $ R = \frac{(1-\eta)\hat{R} - \eta}{-\eta\hat{R} + (1-\eta)} $ を適用し、再構築された $ \hat{R} $ から真の $ R_{\mu} $ を得た。
• 誤差は式 $ \delta R = \frac{\sqrt{(1-2\eta)^2(\delta\hat{R})^2 + (\hat{R}^2 - 1)^2(\delta\eta)^2}}{[\eta\hat{R} - (1-\eta)]^2} $ を用いて伝搬させ、統計的フラクチュエーションを保持するために正則化を施さなかった。
• 大気ミューオン生成の簡略化モデルをデータにフィットさせ、$ R_\pi $ と $ R_K $ を抽出した。プロンプトミューオン寄与を含めても値に顕著な変化は認められなかった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 OPERA検出器が測定したTeVエネルギー領域の大気ミューオン電荷比 $ R_{\mu} $ の値は何か？
• RQ2 検出器に起因する電荷誤識別効果が測定されたミューオン電荷比に与える影響は何か？ そして、その補正はどのように行われるか？
• RQ3 宇宙線エネルギースペクトルに重み付けされたパイオンおよびカイオンの電荷比 $ R_\pi $ と $ R_K $ は、ミューオンデータからどのように推定されるか？
• RQ4 高エネルギー領域のミューオンスペクトルにおいて、プロンプトミューオン（例えば、charmメソン崩壊由来）の非可視的寄与が認められるか？
• RQ5 測定された $ R_{\mu} $ は、単一ミューオンと複数ミューオンイベントの選別を通じて、主宇宙線組成に依存するか？

主な発見

• 電荷誤識別をモンテカルロシミュレーションを用いて補正した結果、$ \eta^{+-} = \eta^{-+} = \eta $ とし、検出器応答の対称性を保証した。
• パイオン電荷比は $ R_\pi = Z_{N\pi^+}/Z_{N\pi^-} = 1.229 \pm 0.001 $ と決定され、パイオン崩壊の運動学的期待値と整合的であった。
• カイオン電荷比は $ R_K = Z_{NK^+}/Z_{NK^-} = 2.12 \pm 0.03 $ と測定され、カイオン生成における顕著な非対称性を示した。
• フィットにプロンプトミューオン成分を含めても $ R_\pi $ および $ R_K $ の値に顕著な変化はなく、測定エネルギー範囲では有意な寄与がないことが示唆された。
• この測定は、charm粒子崩壊が寄与し始める領域に位置しており、$ \mathcal{E}_{\mu}\cos\theta^* \gtrsim 10 $ TeV の領域を調べるには、統計的精度の向上またはより深い検出器の必要性を示唆している。
• OPERA科学プログラム終了時に得られたデータは、特にプロンプトミューオン寄与のテストを含め、高エネルギー領域での測定を向上可能にする。