[論文レビュー] Study of High pT Muons in IceCube

L. Gerhardt, S. R. Klein|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 4被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、アイスキューブニュートリノ望遠鏡において、氷中および表面アレイのデータを統合して、高横断的運動量（pT）のミュオンを検出する手法を提示する。これにより、宇宙線組成を調べるためのミュオンpTスペクトルの測定が可能になる。150 m以上シャワー核から離れたミュオン軌道を再構築し、選別基準を適用することで、候補となる高pTミュオンイベントを同定した。最小分解能pTは6 GeV/cであり、従来のモデルを超えたpQCDに敏感な宇宙線組成の新しいプローブを提供する。

ABSTRACT

Muons with a high transverse momentum (p_T) are produced in cosmic ray air showers via semileptonic decay of heavy quarks and the decay of high p_T kaons and pions. These high p_T muons have a large lateral separation from the shower core muon bundle. IceCube is well suited for the detection of high p_T muons. The surface shower array can determine the energy, core location and direction of the cosmic ray air shower while the in-ice array can reconstruct the energy and direction of the high p_T muon. This makes it possible to measure the decoherence function (lateral separation spectrum) at distances greater than 150 meters. The muon p_T can be determined from the muon energy (measured by dE/dx) and the lateral separation. The high p_T muon spectrum may also be calculated in a perturbative QCD framework; this spectrum is sensitive to the cosmic-ray composition.

研究の動機と目的

• アイスキューブの二重の氷中および表面（アイステップ）アレイを用いて、宇宙線エアシャワー内の高pTミュオンを同定する手法を開発すること。
• シャワー核からの距離が150 mを超える領域における、高pTミュオンの横方向分離スペクトル（非整合関数）を測定すること。
• エネルギー（dE/dx）と横方向分離からミュオンの横断的運動量（pT）を特定し、pQCDベースの組成解析を可能にすること。
• 単一および二重一致の宇宙線シャワーからのバックグラウンドを、トポロジーおよび時間的選別基準により抑制すること。
• 水平イベントを、高pTミュオン検出の低バックグラウンドチャンネルとして探索すること。

提案手法

• 表面アレイのアイステップを用いて、約10 mの核位置分解能と約1.5°の方位角精度でシャワー核位置、方向、エネルギーを再構築する。
• 氷中アレイのアイスキューブを用いて、1度未満の方位角分解能とdE/dx測定によるエネルギーを有する高エネルギーのミュオン軌道を再構築する。
• pT = (dEμ/hc) の式を用いてミュオンpTを計算する。ここで、dは横方向分離、Eμはミュオンエネルギー、hは平均相互作用高さ（25 km）である。
• 150 m以上シャワー核から離れており、ストリング間隔を超える高pTミュオンを同定する二軌道再構築アルゴリズムを適用する。
• トランジット時間の差が1 μs以内で、平行な軌道を持つことを要件とすることで、二重一致の宇宙線バックグラウンドを抑制する選別基準を実装する。
• 水平イベント（水平方向から30°以内）の10%のデータを視覚的スキャンし、最小限のバックグラウンドを持つ二重軌道トポロジーを探索する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アイスキューブにおいて、横方向分離とエネルギー測定を用いて、主なミュオンバンドルから高pTミュオン（pT > 6 GeV/c）を分解できるか？
• RQ2 150 m以上の分離距離において、高pTミュオンの非整合関数（横方向分離スペクトル）をどの程度正確に測定できるか？
• RQ3 トポロジーおよび時間的カットは、高pTミュオン同定における二重一致の宇宙線バックグラウンドをどの程度効果的に抑制できるか？
• RQ4 平行な二重軌道を持つ水平イベントは、高pTミュオン検出の低バックグラウンドチャンネルとして有効か？
• RQ5 高pTミュオンスペクトルは、超高エネルギー宇宙線の組成に対してどの程度感度が高いか？

主な発見

• アイスキューブにおける高pTミュオンの最小分解能pTは、150 mの横方向分離閾値と1 TeVのミュオンエネルギーに基づき6 GeV/cである。
• 二軌道再構築アルゴリズムにより、シャワー核から最大400 m離れた位置にある候補となる高pTミュオンイベントが効果的に同定された。
• アイスキューブデータの10%を視覚的スキャンした結果、複数の候補となる高pTミュオンイベントが発見され、そのうち1件は軌道間角度5.6°、時間差400 nsを示した。
• 水平イベントの探索により、高pTミュオンに一致するトポロジーを持つ候補となる二重軌道イベントが発見され、低バックグラウンドチャンネルとしての可能性が示された。
• 二重一致の宇宙線シャワーからのバックグラウンドは、予想される高pTミュオンイベント数と同等であると推定され、それらを区別するには完全なシミュレーションが必要であることが示された。
• 本手法により、特に重い核種に対してpQCDに敏感な宇宙線組成のプローブが可能となり、高pTミュオンスペクトルを用いた分析が実現した。