[論文レビュー] Upper Limit on Forward Charm Contribution to Atmospheric Neutrino Flux

F. Halzen, Logan Wille|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 10

ひとこと要約

この論文は、摂動的QCDを用いて、$qc\to qc$および$gc\to gc$過程におけるスパーサークォークのフラグメンテーションに注目し、大気中ニュートリノフラックスへのフォワードcharm生成の寄与の上限を確立する。フォワードcharmは高エネルギーのニュートリノを生成し、TeV領域を支配するが、IceCubeが観測したPeVニュートリノフラックスや30 TeVの過剰を説明することはできず、高エネルギー宇宙ニュートリノ信号の原因として除外される。

ABSTRACT

We revisit the calculation of charm particle production in hadron collisions, focusing on the production of charm particles that carry a large fraction of the momentum of the incident proton. In the case of strange particles, such a component is familiar from the abundant production of $K^+Λ$ pairs. Modern collider experiments have no coverage in the very large rapidity region where the forward pair production dominates. While forward charm particles are produced inside the LHC beampipe, they dominate the high-energy atmospheric neutrino flux in underground experiments because long-lived pions and kaons interact before decaying into neutrinos. The fragmentation of the spectator quark in the partonic subprocesses $qc ightarrow qc$ and $gc ightarrow gc$ is responsible for the forward component of charm production in perturbative QCD. We use this phenomenological framework to construct a charm cross section that saturates available accelerator and cosmic ray data, i.e., it represents an upper limit on the normalization of the charm cross section that cannot be reliably calculated because the charm mass is much smaller than the center-of-mass energy. Where the highest energy IceCube observations are concerned, we conclude that the upper limit on the flux of neutrinos from forward charm production may dominate the much-studied central component. It may therefore also represent a significant contribution to the TeV atmospheric neutrino flux but cannot accommodate the PeV flux of high-energy cosmic neutrinos observed by IceCube, or even the excess of events observed in the 30 TeV energy range.

研究の動機と目的

• フォワードcharm生成が大気中ニュートリノフラックスに与える最大寄与を、特に高エネルギー領域で定量化すること。
• 高エネルギー領域における小さな $m_c/\sqrt{s}$ に起因するcharm断面積正規化の不確実性に対処すること。
• フォワードcharmの崩壊生成物が、IceCubeが観測した高エネルギーニュートリノフラックス、特に30 TeVの過剰を説明できるかどうかを評価すること。
• IceCubeの南半球および北半球におけるフォワードcharm崩壊からのプロンプトニュートリノフラックスに及ぼす自己遮断効果の影響を評価すること。
• 加速器および大気中ニュートリノデータと整合する、フォワードcharm由来のプロンプトニュートリノフラックスの素性上昇限界を提示すること。

提案手法

• フォワード$ x_F $のcharmハドロンを生成する部分的な過程 $qc\to qc$ および $gc\to gc$ におけるスパーサークォークのフラグメンテーションを、一次近似の摂動的QCDでモデル化する。
• 大規模な $\log(1/x)$ 糾正に起因する正規化の上限として、加速器および宇宙線データを充足するcharm断面積を構築する。
• Feynman-$x_F$ 分布を用いて、ニュートリノへの崩壊を仮定し、それにより生じるプロンプトニュートリノフラックスを計算する。
• 特に上向きのミューオンニュートリノに対して地球内でのニュートリノ吸収を考慮し、IceCubeにおける自己遮断効果を組み込む。
• IceCubeの2年間MESE解析における予測イベントレートと観測データを、両半球で比較して整合性をテストする。
• 高エネルギー生成をモデル化するため、式 (4)～(6) の部分的断面積を、運動的閾値および対数項を含めて用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハドロン衝突におけるフォワードcharm生成は、IceCubeが観測した高エネルギー大気中ニュートリノフラックスを説明できるか？
• RQ2 加速器および大気中ニュートリノデータと整合するフォワードcharm成分の最大正規化は何か？
• RQ3 フォワードcharm崩壊からのプロンプトニュートリノフラックスは、IceCubeの低エネルギー解析で観測された30 TeVの過剰を説明できるか？
• RQ4 フォワードcharm崩壊由来のプロンプトニュートリノは、IceCubeが観測したPeVスケールの宇宙ニュートリノフラックスを説明できるか？
• RQ5 自己遮断効果は、IceCubeの南半球および北半球におけるフォワードcharmニュートリノの検出可能性にどのように影響するか？

主な発見

• フォワードcharmが大気中ニュートリノフラックスに与える寄与の上限は、主に $qc\to qc$ および $gc\to gc$ におけるスパーサークォークのフラグメンテーションに起因する。
• フォワードcharm成分はTeV領域の大気中ニュートリノフラックスに顕著な寄与を示すが、IceCubeが観測した最高エネルギーの事象を説明することはできない。
• IceCubeの2年間MESE解析におけるフォワードcharmニュートリノの予測イベントレートは、自己遮断を考慮しても南半球で観測データと顕著な不一致を示す。
• モデルの上昇限界フラックスは、IceCubeの低エネルギー解析で観測された30 TeVの過剰を説明できず、過剰を説明できないことが示される。
• フォワードcharm生成由来のプロンプトニュートリノフラックスはあまりに「やわらかく」、高エネルギー領域で観測された宇宙ニュートリノスペクトルの急峻化を再現できない。
• 解析により、観測されたPeVニュートリノフラックスは、最大正規化下でもフォワードcharm崩壊由来のプロンプトニュートリノでは説明できないことが確認された。