[論文レビュー] Probing low-x QCD with ultra-high energy cosmic neutrinos at Auger

Luis A. Anchordoqui, A. M. Cooper-Sarkar+2 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2006

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 2

ひとこと要約

本論文では、将来の「スーパーオーバー」観測所によって検出された超高エネルギー宇宙ニュートリノを用いて、中心系エネルギーが最大100 TeVに達するまで、低x量子色力学（QCD）を調べることを提案している。これは地上加速器のものよりもはるかに高いエネルギー領域である。地球をスキャンするタウニュートリノと準水平シャワーの観測事象率を摂動的QCD予測と比較することで、標準的でスクリーニングのないQCD断面積からのずれを制約でき、極めて小さな運動量分数における強い相互作用のダイナミクスを独自に探る手がかりを提供する。

ABSTRACT

The sources of the observed ultra-high energy cosmic rays must also generate ultra-high energy neutrinos. Deep inelastic scattering of these neutrinos with nucleons on Earth probe center-of-mass energies $\sqrt{s} \sim 100$ TeV, well beyond those attainable at terrestrial colliders. By comparing the rates for two classes of observable events, any departure from the benchmark (unscreened perturbative QCD) neutrino-nucleon cross-section can be constrained. Using the projected sensitivity of the Pierre Auger Observatory to quasi-horizontal showers and Earth-skimming tau neutrinos, we show that a `Super-Auger' detector can thus provide an unique probe of strong interaction dynamics.

研究の動機と目的

• 現在の加速器では到達できない極めて小さな運動量分数（低x）における強い相互作用のダイナミクスを調査すること。
• 中心系エネルギーが約100 TeVに近い領域における摂動的QCDに対する直接的な実験的制約の欠如に対処すること。
• 超高エネルギー宇宙ニュートリノを用いたニュートリノ-核子散乱の観測的プローブを提案すること。
• ピエール・オーバー観測所の予想される感度を活用し、準水平シャワーと地球をスキャンするタウニュートリノ事象のQCD検証に役立てること。
• 事象率の比較を通じて、スクリーニングのない摂動的QCD断面積からのずれを制約すること。

提案手法

• 地上のヌクレオンとの深く不完全な散乱を調べるため、超高エネルギー宇宙ニュートリノをプローブとして用いる。
• 2つの観測可能な事象タイプのレートを比較する：準水平シャワーと地球をスキャンするタウニュートリノ事象。
• LHCで達成可能なものよりも顕著に高い中心系エネルギー √s ≈ 100 TeV を使用する。
• ベンチマークとしての摂動的QCD（スクリーニングなし）断面積の下での予想される事象率をモデル化する。
• 相対的事象率の乖離を分析することで、このベンチマークからのずれに対する感度を評価する。
• これらのまれで高エネルギー事象を検出可能なピエール・オーバー観測所の予想される感度を活用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超高エネルギー宇宙ニュートリノは、中心系エネルギーが約100 TeVに近い領域におけるQCDダイナミクスの有効なプローブとして機能できるか？
• RQ2 準水平シャワーと地球をスキャンするタウニュートリノ事象のレート比較は、摂動的QCD予測からのずれに対してどれほど感度が高いか？
• RQ3 スーパーオーバー検出器は、低xにおけるスクリーニングのないQCD断面積をどの程度まで制約できるか？
• RQ4 地球をスキャンするニュートリノ検出は、強い相互作用のダイナミクスにおける新しい物理を明らかにする可能性を秘めているか？
• RQ5 異なるニュートリノ散乱チャンネル間の事象率比は、極めて高いエネルギーにおけるQCD行動の感度をどのように向上させるか？

主な発見

• 本手法により、現在の加速器技術では到達できない中心系エネルギーまで約100 TeVに達するQCDの探査が可能になる。
• 準水平シャワーと地球をスキャンするタウニュートリノ事象の事象率比較により、スクリーニングのない摂動的QCD断面積からのずれを制約できる。
• ピエール・オーバー観測所がこれらの事象に対して示す予想される感度は、こうしたずれの検出可能性を支持する。
• 本アプローチは、従来の加速器実験では到達できない低x QCDダイナミクスを独自に補完的に探る手段を提供する。
• 分析により、超高エネルギーニュートリノが極めて小さな運動量分数における強い相互作用の挙動を検証する高エネルギー実験室として機能できることを示した。