[論文レビュー] Neutrino-Induced Giant Air Showers in Large Extra Dimension Models

Ambar Jain, Pankaj Jain+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2000

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 26被引用数 12

ひとこと要約

本稿は、質量のあるスピン2粒子の交換を伴う大次元モデルにおけるニュートリノ誘発超高エネルギー（UHE）大気シャワーを調査し、量子重力スケール $ M \sim 2-3 $ TeV およびニュートリノ断面積が 20 mb 以上の条件下では、シャワーの特徴——特に地上での側方粒子およびミューオン分布、縦断面プロファイル、およびシャワー最大深さ——が陽子誘発シャワーと区別できなくなることを示している。主な結果として、現在のシャワー形態の観点からのみでは、ニュートリノ誘発シャワーを除外できないことが示された。

ABSTRACT

In models based on large extra dimensions where massive spin 2 exchange can dominate at high energies, the neutrino-proton cross section can rise to typical hadronic values at energies above 10^20 eV. The neutrino then becomes a candidate for the primary that initiates the highest energy cosmic ray showers. We investigate characteristics of neutrino-induced showers compared to proton-induced showers. The comparison includes study of starting depth, profile with depth, lateral particle distribution at ground and muon lateral distribution at ground level. We find that for cross sections above 20 mb there are regions of parameter space where the two types of showers are essentially indistinguishable. We conclude that the neutrino candidate hypothesis cannot be ruled out on the basis of shower characteristics.

研究の動機と目的

• 大次元モデルにおけるニュートリノ誘発大気シャワーが、観測された超高エネルギー宇宙線シャワーの形態的特徴を再現できるかどうかを評価すること。
• 低スケール重力モデルが予測する強化されたニュートリノ-核子断面積が、陽子誘発シャワーと区別できないシャワーを生成できるかどうかを特定すること。
• 基本スケール $ M $ およびニュートリノエネルギーの変動に伴う、シャワー観測量——特に側方粒子およびミューオン分布、縦断面プロファイル、およびシャワー最大深さ——への感受性を評価すること。
• 現在のシャワー特徴が、最高エネルギー宇宙線イベントの主因としてのニュートリノを除外できるかどうかを検証すること。

提案手法

• エネルギーが $ 10^{20} $ eV まで達するニュートリノ主生成シャワーを、AIRES大気シャワーシミュレーションフレームワークを用いてシミュレートした。
• 大次元シナリオにおける質量のあるスピン2粒子の交換を用いてニュートリノ-核子断面積をモデル化し、高エネルギー域では断面積が $ \sigma \sim s^2 $ のようにスケーリングすることを想定した。
• 基本スケール $ M $ を 2 から 7.3 TeV まで変化させ、複数のエネルギー領域におけるシャワー発達を分析した。
• ニュートリノおよび陽子誘発シャワー間の主要シャワー観測量——側方粒子およびミューオン分布、縦断面プロファイル、および $ X_{\text{max}} $ ——を比較した。
• 統計的ゆらぎを低減し、差の堅牢性を評価するために、50個のシミュレートされたシャワーの平均をとった。
• パラメータースペーススキャンを用いて、ニュートリノおよび陽子シャワーの観測可能な特徴が同一視される領域を同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大次元モデルにおけるニュートリノ誘発大気シャワーは、超高エネルギー宇宙線シャワーで観測された側方粒子およびミューオン分布を再現できるか？
• RQ2 強化された断面積下で、ニュートリノシャワーの縦断面発達プロファイルおよびシャワー最大深さは、陽子シャワーとどの程度一致するか？
• RQ3 量子重力スケール $ M $ およびニュートリノエネルギーの特定の値において、ニュートリノ誘発および陽子誘発シャワーの形態的差が消える領域は存在するか？
• RQ4 新しい物理によって断面積がハドロン的水準まで強化された場合、超GZK宇宙線シャワーの観測特徴はニュートリノによって説明可能か？
• RQ5 大断面積の存在下でも、シャワー最大深さ $ X_{\text{max}} $ はニュートリノおよび陽子主生成シャワーを信頼性高く区別できるか？

主な発見

• ニュートリノ-核子断面積が 20 mb を超えると、ニュートリノ誘発シャワーにおける地上での荷電粒子およびミューオンの側方分布が、標準模型における陽子誘発シャワーと密接に一致する。
• 量子重力スケール $ M \approx 2 $ TeV の場合、ニュートリノシャワーにおける荷電粒子の縦断面プロファイルは、陽子シャワーと最小限の差異を示す。
• $ M \approx 2 $ TeV の場合、ニュートリノおよび陽子シャワーのシャワー最大深さ $ X_{\text{max}} $ は同一視可能となるが、より高い $ M $ では平均位置にわずかなずれが生じる。
• $ M \approx 2.5 $ から $ 3.0 $ TeV の場合、ニュートリノシャワーの平均 $ X_{\text{max}} $ は陽子シャワーのプロファイルと一致させることができず、これは潜在的な区別基準を示唆している。
• $ M = 6 $ TeV および $ \beta = 1 $ の場合、$ 10^{20} $ eV における断面積は 0.3 mb に達するが、$ M = 6.6 $ TeV または $ M = 7.3 $ TeV で $ \beta = 1 $ または $ \beta = 2 $ とすると、他のモデルが予測する 0.1 mb の値を再現でき、パラメータースペース全体で一貫性があることが示された。
• 本研究の結論として、特に $ M \sim 2-3 $ TeV の範囲で断面積が高くなる場合、形態的特徴のみではニュートリノ誘発シャワーが超高エネルギー宇宙線シャワーの原因であることを除外できないとされた。