[論文レビュー] Ultra-high energy neutrino scattering on an isoscalar nucleon

Edmond L. Berger, M. M. Block+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2007

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、測定済みの陽子構造関数 F₂^p(x,Q²) を用いて中性および電荷現在の断面積を推定する手法を用い、Bjorken x における対数的 Froissart 依存性の超高エネルギーニュートリノ-陽子散乱への外挿を提案している。この手法により、10⁹ GeV 以上のエネルギー領域では摂動的 QCD の外挿と比較して断面積が最大で10倍も小さくなることが示され、銀河間ニュートリノ検出実験の予測に顕著な影響を与える。

ABSTRACT

Estimates are made of the ultra-high energy neutrino cross sections based on an extrapolation to very small Bjorken x of the logarithmic Froissart dependence in x shown previously to provide an excellent fit to the measured proton structure function F_2^p(x,Q^2) over a broad range of the virtuality Q^2. Expressions are obtained for both the neutral current and the charged current cross sections. Comparison with an extrapolation based on perturbative QCD shows good agreement for energies where both fit data, but our rates are as much as a factor of 10 smaller for neutrino energies above 10^9 GeV, with important implications for experiments searching for extra-galactic neutrinos.

研究の動機と目的

• 現在の実験的データでは到達できない超高エネルギー領域におけるニュートリノ断面積の推定を目的とする。
• 銀河間ニュートリノ検出に不可欠な10⁹ GeV 以上のエネルギー領域におけるニュートリノ-陽子散乱断面積の不確実性を解消することを目的とする。
• 測定済みの F₂^p(x,Q²) データに基づく現象論的モデルを用いて、摂動的 QCD 外挿が極小 x 域で妥当かどうかを検証することを目的とする。
• 対数的 Froissart 形式の x 依存性を用いて、超高エネルギーニュートリノの中性および電荷現在断面積をより信頼性の高いものに推定することを目的とする。

提案手法

• 従来、陽子構造関数 F₂^p(x,Q²) にフィットされた対数的 Froissart 依存性を、超高エネルギーニュートリノ散乱に適した極小 x 値へ外挿する。
• 外挿された構造関数を用いて、標準的なパートンレベル散乱形式論を適用し、中性現在および電荷現在のニュートリノ-陽子断面積を計算する。
• 広い Q² 範囲にわたる測定済みの F₂^p(x,Q²) データを入力とし、極小 x における断面積の関数形を制約する。
• 得られた断面積を、同じエネルギー領域における摂動的 QCD 外挿結果と比較する。
• 陽子と中性子の寄与を一貫して取り扱うために、核子の同スカラー性を仮定し、断面積計算を簡略化する。
• 対数的 x 依存性に基づき、ニュートリノエネルギーおよび Bjorken x の関数として断面積の解析的表現を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 F₂^p(x,Q²) データから導かれた現象論的極小 x 行動を用いて、超高エネルギー（Eν > 10⁹ GeV）におけるニュートリノ-陽子断面積はどのように外挿されるか？
• RQ2 Froissart 基盤の外挿と摂動的 QCD 予測との間には、超高エネルギーニュートリノ断面積においてどの程度の定量的差が生じるか？
• RQ3 x における対数的 Froissart 依存性は、極端なエネルギー領域におけるニュートリノ散乱をどの程度信頼性高く記述できるか？
• RQ4 超高エネルギー領域における断面積推定値が低めに見積もられる場合、大規模な観測所における銀河間ニュートリノ検出率にどのような影響を与えるか？

主な発見

• Froissart 基盤の外挿により得られた中性および電荷現在のニュートリノ断面積は、10⁹ GeV 以上のエネルギー領域で摂動的 QCD の予測と比較して顕著に小さくなる。
• Froissart モデルによる断面積推定値は、超高エネルギー領域では pQCD 外挿と比較して最大で10倍も小さくなる。
• x における対数的 Froissart 依存性は、広い Q² 範囲にわたる F₂^p(x,Q²) データに良好にフィットし、極端なエネルギー領域への外挿に用いることの妥当性を裏付けている。
• 現在の超高エネルギーニュートリノ検出率の推定値は、pQCD 外挿にのみ依存している場合、過大評価されている可能性があると示唆される。
• 同スカラー核子仮定により、陽子と中性子の寄与を一貫して取り扱えるため、断面積計算が簡略化され、研究対象のエネルギー範囲において一般性を失わない。
• Froissart 基盤モデルと pQCD の重複エネルギー領域における一致は、極小 x 域における現象論的アプローチの信頼性を支持する。