[논문 리뷰] Arrays is Space to detect Upward Tau and Highest Altitude Showers

Daniele Fargion|arXiv (Cornell University)|2001. 07. 05.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 우주선 기반 및 고고도 방망이 배열을 이용하여 초고에너지(UHE) 상향 테우 중성자($ olimits_{\tau}$) 및 관련 대기 샤워—UPTAUS, HORTAUS, HIAS—를 탐지하는 방법을 제안한다. 지구의 자기장이 샤워 입자를 쌍봉 아치로 휘게 하고 얇은 대기층 내에서 에너지에 따라 달라지는 샤워 발달 특성을 활용함으로써, 희귀한 UHE 중성자 상호작용을 특징적인 형태학적 및 방향성 서명으로 탐지할 수 있다.

ABSTRACT

Ultra High Energy, UHE, upward Tau neutrinos Tau, anti-neutrino Tau, above hundred TeVs and up to tens PeV energies, of relevant astrophysical nature, may lead to UHE Taus and consequent Up-ward Tau air-Showers {UPTAUS} after interaction on Earth crust surface. The UPTAUS discover may open a new UHE Tau Neutrino Astrophysics. A new generation of Gamma, X, optical and Radio Arrays in Space may discover, in the same Auger spirit, such up-coming Air-showers as well as an additional Tau signal: the nearly Horizontal Tau AIR-Shower {HORTAUS} originated by UHE neutrinos tau at 10^{19} eV energies arising from a thin Earth crust corona at few tens of degree below the horizons; a degree above the horizons, there should be over common diffused cosmic ray albedo, an additional High Altitudes (nearly Horizontal) Showers {HIAS}, by more common Cosmic Rays primaries at PeVs up to EeV and ZeV energies, both of hadronic or of electro-magnetic $γ$ nature. Mini-arrays detectors in high Altitude Balloons tails facing the horizons and the Earth below may also reveal both UPTAUS, and HIAS, and more rarely HORTAUS. Gamma Burst, Cherenkov flashes and rarer muons observed by high mountains peak arrays or high quota balloon array may better probe UPTAUS and HORTAUS. Present and future X-Gamma satellites as Beppo-Sax may be also able to discover HORTAUS and HIAS discovering transient events by UHE source (as the Crab) while in occultation by Earth. Because of the large shower distances and the Earth magnetic field, HIAS and HORTAUS showers will be split in a {Twin-Beams} fan-shaped wide arc, orthogonal to the terrestrial magnetic field, with a strong azimuths modulation. Gamma bursts with rare single muons or neutrons at the horizon, associated with HIAS, HORTAUS may be discovered by Glast and AMS satellite.

연구 동기 및 목표

• 초고에너지(UHE) 상향 테우 중성자($\nu_{\tau}$) 및 그 붕괴 생성물인 대기 샤워의 탐지 가능성 탐색.
• 지구가 UHE 중성자에 투명하지 않기 때문에 지구 지각과 대기 중 희귀 상호작용 창문을 식별함으로써 이 문제 해결.
• 우주 기반 및 고고도 플랫폼을 이용한 UPTAUS(상향 테우 대기 샤워), HORTAUS(거의 수평 테우 샤워), HIAS(고고도 샤워) 탐지 전략 신규 제안.
• 기하학, 에너지 의존성, 자기장 효과를 바탕으로 이 새로운 샤워 유형을 기존의 하향 대기 샤워와 구분.
• 특징적인 샤워 형태학적 특성과 애자이멀 모odulation을 통해 UHE 중성자원의 새로운 천체물리적 탐사 가능화.

제안 방법

• 10^14–10^16 eV 에너지에서 지구 지각 내 UHE $\nu_{\tau}$ 상호작용 모델링을 통해 상향 테우 대기 샤워(UPTAUS) 생성.
• 랜다우-포머랑치크-미그달(Landau-Pomeranchuk-Migdal, LPM) 효과와 테우 붕괴 운동학을 이용해 샤워 발달 및 조성(핵반응성, 전자기성 또는 하이브리드) 예측.
• 샤워 기울어진 깊이와 붕괴 길이에 대한 초월함수 방정식을 적용하여 HIAS 및 HORTAUS에 최적의 샤워 발생 고도($h_1$, $h_3$) 결정.
• 지구 자기장에 의해 샤워 입자가 쌍봉, 날개 모양 아치로 휘어지게 하여 자기장에 수직인 방향으로 강한 애자이멀 모odulation 발생.
• HIAS 및 HORTAUS의 궤적과 에너지 의존성을 분석하여 직접 UPTAUS 및 배경 우주선 알베도와 구분.
• 고고도 방망이 배열 및 인공위성 기반 장치(예: GLAST, AMS)를 제안하여 시간, 스펙트럼 및 각도 서명을 통해 이 희귀 사건 탐지.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지구 지각 내 UHE $\nu_{\tau}$ 상호작용이 100 TeV 이상 에너지에서 탐지 가능한 상향 테우 대기 샤워(UPTAUS)를 생성할 수 있는가?
• RQ2 GZK 절단점 근처에서 탄성적인 $\nu_{\tau}$ 상호작용으로부터 HORTAUS(거의 수평 테우 샤워)가 형성될 수 있는 최적의 에너지 및 기하학적 조건는 무엇인가?
• RQ3 지구 자기장은 UPTAUS 및 HORTAUS의 샤워 입자의 궤적과 각도 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 고고도 방망이 및 인공위성 배열은 형태학적 및 시간 서명을 기반으로 HIAS(초고에너지우주선에서 기인한 고고도 샤워)를 UPTAUS 및 HORTAUS와 구분할 수 있는가?
• RQ5 HIAS 및 HORTAUS의 특징적인 샤워 발달 깊이 및 붕괴 길이는 무엇이며, 에너지 및 입자 유형에 따라 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• UPTAUS는 10^15–10^16 eV 에너지에서 형성되며, 대기 밀도가 감소함에 따라 고고도(44–42 km)에서 샤워 발달이 일어남.
• HORTAUS 샤워의 초기화 고도는 23 km로 특징적이며, 테우 붕괴 길이는 546 km로, 최대 1.11 × 10^19 eV 에너지까지 탐지 가능.
• HIAS의 경우 최적의 샤워 발달 고도는 핵반응성 샤워에 대해 $h_{1_{\text{Had.}}} = 44.08 - 8.55 \ln[1 + 0.02523 \ln(E/10^{19}\text{eV})]$ km이다.
• HIAS 및 HORTAUS의 궤적은 지구 자기장에 의해 쌍봉, 날개 모양 아치로 휘어지며, 동서 방향에서 최대 휘어짐, 북남 방향에서 최소 휘어짐.
• 자기장에 의한 휘어짐은 샤워 강도의 강한 애자이멀 모odulation을 유도하여 배경과의 구분에 고유한 서명 제공.
• 20–30 km 고도의 고고도 방망이 배열은 HIAS 및 HORTAUS 탐지에 최적이며, 지상 기반 탐지기와 달리 수평선 상하의 사건을 관측 가능.