[논문 리뷰] High-energy atmospheric neutrinos

S. I. Sinegovsky, A. A. Kochanov외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 10. 12.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 4인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 고에너지 대기 중 뮤온 뉴트리노 복사원(10–10⁷ GeV)에 대한 새로운 1차원 계산을 제시한다. 이 계산은 QGSJET-II, SIBYLL 2.1, KM 등의 입자상호작용 모델을 사용하며, 비스케일링 포함 단면적, 증가하는 비탄성 하드론-핵 단면적, 그리고 멱법칙이 아닌 1차 우주선 스펙트럼을 포함한다. 주요 결과는 1 테라볼트 이상에서 SIBYLL 2.1과 QGSJET-II 예측 간에 최대 1.8배의 복사원 불일치가 존재하며, 이는 주로 케이온 생성 단면적에 대한 불확실성에 기인한다.

ABSTRACT

High-energy neutrinos, arising from decays of mesons that were produced through the cosmic rays collisions with air nuclei, form unavoidable background noise in the astrophysical neutrino detection problem. The atmospheric neutrino flux above 1 PeV should be supposedly dominated by the contribution of charmed particle decays. These (prompt) neutrinos originated from decays of massive and shortlived particles, $D^\pm$, $D^0$, $\bar{D}{}^0$, $D_s^\pm$, $Λ^+_c$, form the most uncertain fraction of the high-energy atmospheric neutrino flux because of poor explored processes of the charm production. Besides, an ambiguity in high-energy behavior of pion and especially kaon production cross sections for nucleon-nucleus collisions may affect essentially the calculated neutrino flux. There is the energy region where above flux uncertainties superimpose. A new calculation presented here reveals sizable differences, up to the factor of 1.8 above 1 TeV, in muon neutrino flux predictions obtained with usage of known hadronic models, SIBYLL 2.1 and QGSJET-II. The atmospheric neutrino flux in the energy range $10-10^7$ GeV was computed within the 1D approach to solve nuclear cascade equations in the atmosphere, which takes into account non-scaling behavior of the inclusive cross-sections for the particle production, the rise of total inelastic hadron-nucleus cross-sections and nonpower-law character of the primary cosmic ray spectrum. This approach was recently tested in the atmospheric muon flux calculations [1]. The results of the neutrino flux calculations are compared with the Frejus, AMANDA-II and IceCube measurement data.

연구 동기 및 목표

• 10–10⁷ GeV 범위의 고에너지 대기 중 뮤온 뉴트리노 복사원을 향상된 물리 모델링을 통해 계산하기.
• QGSJET-II, SIBYLL 2.1, KM 등의 입자상호작용 모델이 뉴트리노 복사원 예측에 미치는 영향 평가하기.
• 1차 우주선 스펙트럼 모델과 입자상호작용 파rameter의 불확실성으로 인한 일반 뉴트리노 및 프롬프트 뉴트리노 복사원의 불확실성 평가하기.
• AMANDA-II 및 IceCube 실험 데이터와의 비교를 통해 프롬프트 뉴트리노 기여도 제약하기.
• 고에너지에서 케이온 생성 단면적의 역할이 복사원 불확실성의 주요 원인임을 정량화하기.

제안 방법

• 대기 중 핵반응 사슬 방정식에 대한 1차원 해법(NC)을 사용하여 비스케일링 포함 단면적과 증가하는 총 비탄성 하드론-핵 단면적을 고려한다.
• 100 페타볼트 이하까지 유효한 자츠핀-소콜스카야(ZS) 1차 우주선 스펙트럼 모델과 10⁶ GeV 이하 에너지에 대한 GH 매개변수화를 적용한다.
• 특히 π 및 K 생성에 대한 행동을 비교하기 위해 스펙트럼 가중 모멘트(z_pc)를 적용한다.
• π±, K±, μ±의 붕괴에서 기인한 뉴트리노 복사원을 계산하며, 3체 반레프톤 붕괴(Kμ3) 및 뮤온 붕괴 기여도를 포함한다.
• 일관성을 확보하기 위해 이전의 대기 중 뮤온 복사원 계산에서 검증된 NS 방법(kss08, kss09, sks10)을 사용한다.
• 지구자전각 의존성 복사원 계산을 수행하고, 그 결과를 AMANDA-II 및 IceCube 데이터와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 QGSJET-II, SIBYLL 2.1, KM 등의 다른 입자상호작용 모델이 고에너지 대기 중 뮤온 뉴트리노 복사원 예측에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 1 테라볼트 이상에서 케이온 생성 단면적의 기여가 일반 뉴트리노 복사원의 불확실성에 대해 어느 정도인가?
• RQ3 1차 우주선 스펙트럼과 조성에 대한 불확실성이 대기 중 뉴트리노 복사원 예측에 얼마나 영향을 미치는가?
• RQ4 AMANDA-II 및 IceCube 실험 데이터와의 비교에서 모델 예측은 100 테라볼트 에너지 범위에서 어떻게 일치하는가?
• RQ5 VZ, RQPM, QGSM, GGV 등의 프롬프트 뉴트리노 복사원 모델 중 어느 것이 AMANDA-II의 확산 뉴트리노 복사원 상한선과 일치하는가?

주요 결과

• SIBYLL 2.1과 QGSJET-II가 예측하는 일반 뮤온 뉴트리노 복사원은 1 테라볼트 이상에서 최대 1.8배의 차이를 보이며, 주로 케이온 생성 단면적의 차이에 기인한다.
• QGSJET-II + GH 모델은 고에너지에서 가장 낮은 일반 뉴트리노 복사원을 제공하며, 90° 지구자전각과 100 테라볼트 에너지에서 E²φν = 1.11×10⁻⁸ cm⁻² sr⁻¹ GeV이다.
• 100 테라볼트에서 RQPM 모델이 예측하는 프롬프트 뉴트리노 복사원(4.61×10⁻⁸ cm⁻² sr⁻¹ GeV)과 QGSM 모델이 예측하는 복사원(1.22×10⁻⁸ cm⁻² sr⁻¹ GeV)은 모두 AMANDA-II 상한선 7.4×10⁻⁸ cm⁻² sr⁻¹ GeV과 일치한다.
• VZ 프롬프트 뉴트리노 복사원(8.12×10⁻⁸ cm⁻² sr⁻¹ GeV)은 AMANDA-II 상한선을 초과하므로 현재 데이터와 일치하지 않음을 시사한다.
• 대기 중 뮤온 뉴트리노 복사원은 10에서 10⁵ GeV 범위에서는 1차 스펙트럼 모델에 약한 의존성을 보이나, 고에너지에서는 입자상호작용 모델에 강한 의존성을 보인다.
• 이 연구는 뉴트리노 복사원의 불확실성에서 케이온 생성이 뮤온 복사원의 불확실성보다 더 중요한 요소임을 확인하였으며, 이는 둘 다 하드론 캐스케이드에서 기인하지만, 뉴트리노의 경우 더 민감하게 작용하기 때문이다.