[論文レビュー] Supersymmetric and Kaluza-Klein Particles Multiple Scattering in the Earth

I. F. M. Albuquerque, S. R. Klein|arXiv (Cornell University)|May 19, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 12被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、地球の不均一な内部における多次散乱が、ニュートリノ望遠鏡に到達するまでに次に軽い超対称性粒子（NLSP）およびカルラッツ＝カランダー粒子（NLKP）対の分離をどのように強化するかを調査する。放射長およびエネルギー損失の計算を伴う層状の地球モデルを用いて、多次散乱が100メートル以上の間隔に分離した検出可能なNLKP対の数を、質量に応じて最大46%増加させることを明らかにした。垂直方向に到達するNLSP対では24%の増加が観察された。

ABSTRACT

Neutrino telescopes with cubic kilometer volume have the potential to discover new particles. Among them are next to lightest supersymmetric (NLSPs) and next to lightest Kaluza-Klein (NLKPs) particles. Two NLSPs or NLKPs will transverse the detector simultaneously producing parallel charged tracks. The track separation inside the detector can be a few hundred meters. As these particles might propagate a few thousand kilometers before reaching the detector, multiple scattering could enhance the pair separation at the detector. We find that the multiple scattering will alter the separation distribution enough to increase the number of NLKP pairs separated by more than 100 meters (a reasonable experimental cut) by up to 46% depending on the NLKP mass. Vertical upcoming NLSPs will have their separation increased by 24% due to multiple scattering.

研究の動機と目的

• 地球を通過するNLSPおよびNLKP対の分離に及ぼす多次散乱の影響を評価すること。
• 立方キロメートル級ニュートリノ望遠鏡におけるこれらの粒子の検出可能性に、多次散乱がどのように影響するかを定量化すること。
• 多次散乱が100メートルの検出閾値を超えて軌跡の分離を増加させることで、信号対背景比が向上するかどうかを検討すること。
• 特に天頂角および粒子質量に関連して、NLSPとNLKPに対する多次散乱の影響を比較すること。

提案手法

• 密度、原子番号、放射長が異なる10の不均一な層からなる地球モデルを構築する。
• 相対論的荷電粒子に対して、ガウス的多次散乱式を用い、角度ずれθ₀ = 13.6 MeV/c / (p * r * L / X₀) を使用する。
• 各層について、層の中点から検出器表面までの距離Dを用いて、横方向のずれdi = √2 * D * θ₀ を計算する。
• 全層からのずれを二乗和の平方根で合算し、全多次散乱に起因する全分離を計算する。
• 多次散乱に起因する分離と初期の開口角分離を、二乗和の平方根で合成する。
• 従来の研究[2, 3]で示されたように、生成点およびエネルギーについての積分を実行し、滑らかなエネルギー損失を仮定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地球の層状構造内における多次散乱が、ニュートリノ望遠鏡内でのNLKP対の軌跡分離にどのように影響するか？
• RQ2 多次散乱が100メートル以上の間隔に分離したNLKP対の数をどの程度増加させるか？
• RQ3 多次散乱による増加効果は、NLKPの質量および天頂角にどのように依存するか？
• RQ4 特に垂直方向と水平方向の軌道において、NLSPとNLKPに対する多次散乱の相対的影響は何か？
• RQ5 多次散乱は、薄いミュオン対イベントからの背景と比較して、NLSPおよびNLKPの検出可能性を顕著に変化させるか？

主な発見

• 300 GeVのNLKP対では、100メートル以上の間隔に分離したものの数が多次散乱により46%増加し、600および900 GeVのNLKPではそれぞれ30%および21%の増加が観察された。
• NLSP対では、100メートル以上の間隔に分離したものの数が3%増加したが、垂直方向に到達するNLSP対では24%の増加が見られた。
• 近垂直なNLSP対において、多次散乱の効果が最も顕著であり、検出可能な対の数が24%増加した。一方、近水平なイベントではわずか1.8%の増加にとどまった。
• NLKPsの方がNLSPsよりも効果が強いのは、質量が高く、散乱の力のモーメントアームが長くなるためである。
• 異符号のNLSP/NLKP対における磁場効果は、多次散乱と比較して無視できるほど小さいことが判明した。
• 近垂直なイベントでは、300 GeVのNLKP対の100メートル以上の分離対数が多次散乱により67%増加したが、近水平なイベントでは16%増加にとどまった。