[論文レビュー] Prompt neutrinos from atmospheric c-cbar and b-bbar production and the gluon at very small x

A. D. Martin, M. G. Ryskin+1 more|CERN Bulletin|Feb 17, 2003

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、非常に小さなxにおける陽子のグルーオン分布の外挿を精緻化することで、高エネルギー宇宙線によるプロンプト大気中ニュートリノフラックスの予測を改善し、charmおよびbottomクォーク生成断面積の不確実性を要因3以内にまで低減した。摂動的QCDに次-leading-order補正を加え、GBWモデルによる飽和効果を組み込むことで、陽子-空気衝突におけるcクォーク生成の堅牢でパラメータ化された予測を提供し、超高エネルギーニュートリノ望遠鏡のニュートリノフラックス予測の信頼性を著しく向上させた。

ABSTRACT

We improve the accuracy of the extrapolation of the gluon distribution of the proton to very small x, and show that the charm production cross section, needed to calculate the cosmic ray-induced `atmospheric' flux of ultrahigh energy prompt muon and tau neutrinos, may be predicted within perturbative QCD to within about a factor of three. We follow the sequence of interactions and decays in order to calculate the neutrino fluxes as a function of energy up to 10^9 GeV. We also compute the prompt neutrino tau flux from b-bbar production, hadronization and decay. New cosmic sources of neutrinos will be indicated if more prompt neutrinos are observed than predicted. If fewer neutrinos are observed than predicted, then constraints will be imposed on the nuclear composition of cosmic rays. The advantages of studying tau neutrinos are emphasized. We provide a simple parameterization of the prediction for the inclusive cross section for c quark production in high energy proton--air collisions.

研究の動機と目的

• 非常に小さなxにおける陽子のグルーオン分布の外挿を改善することで、高エネルギー宇宙線からのプロンプト大気中ニュートリノフラックスの予測不確実性を低減すること。
• DGLAP、BFKL、および飽和に基づく理論モデルが、超高エネルギーにおけるcharmおよびbottomクォーク生成断面積に与える影響を評価すること。
• 10^4–10^11 GeVのエネルギー範囲に適用可能な、陽子-空気衝突における包含的cクォーク生成の信頼性の高いパラメータ化予測を提供すること。
• フラグメンテーション、ハドロンの減衰、およびcharmバリオン（Λc）のx分布に起因する不確実性が、最終的なニュートリノフラックス予測に与える影響を定量化すること。
• 観測されたプロンプトニュートリノフラックスが予測値を下回る場合、これは宇宙線核の組成を制限することを示し、予測値を上回る場合、新たな天体物理学的源を示唆することを確立すること。

提案手法

• 非常に小さなxにおけるグルーオン分布の外挿に、3つのモデルを用いる：DGLAPに二重先導対数（DLL）再帰を組み込んだもの、統合的DGLAP/BFKL、および飽和効果を含むGBWモデルに基づくもの。
• 次-leading-order（NLO）摂動的QCDを用い、K要因を約2.3としてcクォーク生成を記述し、約250 GeVでの固定標的に基づくデータにキャリブレーションした。
• 完全なカスケードをモデル化する：pp → c̄c → D中間子 → D → τ → ντ、およびb̄b → B中間子 → B → τ → ντ、フラグメンテーション関数および崩壊分岐比を含む。
• 陽子-空気衝突における包含的cクォーク生成断面積のパラメータ化を適用する：x dσ/dx = A x^β (1−x^{1.2})^n、エネルギー依存のA、β、nを用いる。
• Λcハイパーポロンのx分布（x_c > 0.1の場合にx_Λ = ½(1 + x_c)を用いる）、大気中でのD中間子の減衰、およびフラグメンテーション関数に起因する不確実性を組み込む。
• GBWモデルに保守的な誤差帯を適用し、最終的なフラックス予測の影付き帯に反映される、プロンプトニュートリノフラックス全体の不確実性を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 10^9 GeVまでのエネルギー範囲で、摂動的QCDを用いたc̄cおよびb̄b生成に起因するプロンプトニュートリノフラックスは、どの程度正確に予測可能か？
• RQ2 高エネルギーにおけるプロンプトニュートリノフラックス予測の主な不確実性源は何か、そしてどのように低減できるか？
• RQ3 小xグルーオン分布における飽和効果が、cクォーク生成およびその後のニュートリノフラックス予測にどのように影響するか？
• RQ4 Λcハイパーポロンはどの程度の割合でプロンプトνμフラックスに寄与するか、そしてこれはcクォークのx分布にどのように依存するか？
• RQ5 予測値と観測値の間の差異が、宇宙線の核組成をどの程度制限するか？

主な発見

• GBW飽和モデルを用いた保守的な誤差帯を含む、小xグルーオン外挿の改善により、c̄c生成に起因するプロンプトニュートリノフラックス予測の不確実性が要因3以内にまで低減された。
• グルーオン分布に飽和効果を組み込むことで、特に高いエネルギー（E > 10^8 GeV）領域において、異なるモデル間の予測のばらつきが顕著に低減された。
• Λcハイパーポロンのプロンプトνμフラックスへの寄与は、10^4 GeVでは約10％から10^9 GeVでは約40％にまで増加した。これはD中間子よりも高いx値を持つためである。
• 陽子-空気衝突におけるcクォーク生成のパラメータ化（x dσ/dx = A x^β (1−x^{1.2})^n）は、10^4から10^11 GeVのエネルギー範囲で0.05 < x < 0.6の範囲で±5％の精度で包含断面積を再現した。
• charm由来のντフラックスでは、主な不確実性はDs → τντの分岐比と生成比に起因するが、b̄b → ντフラックスはより均一な崩壊モードのため、不確実性が小さい。
• 観測されたプロンプトニュートリノフラックスが予測値を下回る場合、これは予測が陽子主体の組成を仮定していることから、宇宙線の核組成が制限されることを示唆する。