[論文レビュー] Neutrino Flux Bounds and Prospects for High Energy and Ultrahigh Energy Neutrino Source Detection

Christian Hettlage, K. Mannheim|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2002

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 6被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、ハドロン的源からの高エネルギーニュートリノおよび超高エネルギーニュートリノフラックスの上界を導出する汎用フレームワークを構築し、次世代の水ベースのチェレンコフ検出器におけるイベントレートを予測する。その結果、年間数100〜1000件のイベントが検出可能であるものの、統計的誤差が深刻に影響し、ニュートリノ減衰を用いた地球トモグラフィーにニュートリノ望遠鏡を用いることの実現可能性が制限されることを示した。

ABSTRACT

After briefly reviewing various hadronic neutrino source models, we show how to construct generic upper flux bounds. We then turn to the problem of neutrino propagation through the inner Earth and neutrino detection in water-based Cerenkov detectors. Applying the formalism thus developed to the Mannheim-Protheroe-Rachen and the Waxman&Bahcall flux bounds, we find that event rates of several hundred to thousand events per year might be possible in next-generation neutrino telescopes. However, a tomography of the inner Earth will face severe constraints due to the statistical error of the event rates to be expected.

研究の動機と目的

• 特定の源モデルに依存しない、高エネルギーおよび超高エネルギーのハドロン的源からのニュートリノフラックスの上界を汎用的に確立すること。
• 次世代の水ベースのチェレンコフニュートリノ望遠鏡におけるこれらのフラックスの検出可能性を評価すること。
• ニュートリノイベントレートを用いたニュートリノ減衰による地球内部のトモグラフィーの可能性を評価すること。
• 統計的誤差がそのようなトモグラフィー再構成の精度に与える影響を定量化すること。

提案手法

• 素粒子物理学的制約と観測された宇宙線プロトンスペクトルを用いて、プロトンおよび標的光子スペクトルにべき乗則形を仮定し、汎用的なニュートリノフラックス上界を導出する。
• ハドロン的源におけるニュートリノ生成の基準モデルとして、Mannheim-Protheroe-Rachen (MPR) および Waxman-Bahcall フラックス上界を用いる。
• エネルギー劣化およびフレーバー依存の断面積を考慮した輸送方程式を用いて、ニュートリノが地球を通過する際の伝播をモデル化する。
• CTEQ5DISパートン分布関数と離散化された輸送方程式を用いて、水中におけるニュートリノ相互作用の級数方程式を解く。
• 有効面積、検出器の高さ、物質密度を組み込んだ半アナリティカルな式を用いて、水ベースのチェレンコフ検出器におけるイベントレートを推定する。
• 統計的誤差を考慮したイベントレートに起因する、Radon変換の逆問題を用いた地球密度のトモグラフィー再構成を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 特定の源モデルに依存しない、高エネルギーおよび超高エネルギーのハドロン的源からのニュートリノフラックスの上界は何か？
• RQ2 MPRおよびWaxman-Bahcallフラックス上界に対して、次世代の水ベースのチェレンコフ検出器で年間何件のニュートリノイベントが期待されるか？
• RQ3 ニュートリノイベントレートを用いた地球内部密度構造のトモグラフィー再構成は、どの程度可能か？
• RQ4 イベントレート測定における統計的誤差は、ニュートリノベースの地球トモグラフィーの精度にどのように影響するか？

主な発見

• MPRおよびWaxman-Bahcallフラックス上界に対して、100 GeVのエネルギーカットオフを仮定した場合、次世代のニュートリノ望遠鏡では年間数100〜1,000件のミュオンニュートリノイベントが検出可能である。
• 高中性子透過率を仮定したMPRフラックス上界では、イベントレートが約1,000件/年でピークに達するが、Waxman-Bahcall上界ではわずかに低いレートが得られる。
• イベントレートの統計的誤差（±√Nとしてモデル化）は、トモグラフィー再構成の精度を著しく低下させ、正確な密度プロファイルの回復が困難になる。
• ニュートリノ減衰を用いた地球内部のトモグラフィーは理論的には可能であるが、統計的誤差の影響により実用的に制限されており、半径方向密度プロファイルの再構成誤差から明らかである。
• 統計的誤差を含めたMPR上界を用いた半径方向密度再構成では、特にタウオンイベントにおいてDziewonski-Andersonモデルから顕著なずれが生じる。
• イベントレートが仰角（ナディア角）に依存することは、ニュートリノが地球を通過する際の減衰と直接的に関連しており、観測されたレートと列密度の間の明確な関係を示すが、統計的ノイズによってこの関係が弱体化する。