[논문 리뷰] Supersymmetric and Kaluza-Klein Particles Multiple Scattering in the Earth

I. F. M. Albuquerque, S. R. Klein|arXiv (Cornell University)|2009. 05. 19.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 12인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 지구의 비균일한 내부에서의 다중 산란이 중성미자 망원경에 도달하기 전에 다음으로 가벼운 초대칭(NLSP) 및 칼루차-클라인(NLKP) 입자 쌍의 분리를 어떻게 향상시키는지 조사한다. 복사 길이와 에너지 손실 계산을 포함한 다층 지구 모델을 사용하여, 다중 산란이 질량에 따라 최대 46%까지 100미터 이상 떨어진 검출 가능한 NLKP 쌍의 수를 증가시키며, 수직으로 올라오는 NLSP의 경우 24%의 증가를 보인다.

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.

연구 동기 및 목표

• 지구를 통과하는 동안 다중 산란이 NLSP 및 NLKP 쌍의 분리에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 다중 산란이 입체 킬로미터 크기의 중성미자 망원경에서 이러한 입자의 검출 가능성에 어떻게 영향을 미치는지 정량화하기 위해.
• 다중 산란이 100m 검출 임계값을 초월해 궤적 분리를 증가시켜 신호 대 배경 비율을 향상시키는지 확인하기 위해.
• 특히 천정 각도와 입자 질량과 관련하여 다중 산란이 NLSP와 NLKP에 미치는 영향을 비교하기 위해.

제안 방법

• 밀도, 원자번호, 복사 길이가 서로 다른 10개의 비균일한 층으로 지구를 모델링하기 위해.
• 상대론적 양성전자 입자에 대해 다중 산란의 가우시안 공식을 사용하며, 각도 편이 θ₀ = 13.6 MeV/c / (p * r * L / X₀)로 정의된다.
• 각 층에 대해 중간점에서 탐지기 표면까지의 거리 D를 고려하여 횡방향 이격 di = √2 * D * θ₀ 를 계산한다.
• 모든 층의 이격을 제곱합의 제곱근으로 더하여 총 산란 유도 분리를 계산한다.
• 산란 유도 분리와 초기 분리 각도 분리를 제곱합의 제곱근으로 합산한다.
• 이전 연구 [2, 3]에서 설명된 바와 같이 생산 위치와 에너지에 대해 통합하며, 에너지 손실은 매끄럽게 가정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지구의 다층적 구조에서의 다중 산만이 중성미자 망원경 내 NLKP 쌍의 궤적 분리에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 다중 산만이 100미터 이상 떨어진 NLKP 쌍의 수를 얼마나 향상시키는가?
• RQ3 다중 산만에 의한 향상 정도는 NLKP 질량과 천정 각도에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ4 특히 수직과 수평 궤도에서 다중 산만이 NLSP와 NLKP에 미치는 상대적 영향은 어떠한가?
• RQ5 다중 산만이 다이미온 사건의 배경과 비교할 때 NLSP와 NLKP의 검출 가능성에 상당한 영향을 미치는가?

주요 결과

• 300 GeV NLKP 쌍 중 100미터 이상 떨어진 쌍의 수는 다중 산만으로 46% 증가하며, 600 GeV와 900 GeV NLKP의 경우 각각 30%와 21% 증가한다.
• NLSP의 경우 다중 산만으로 100미터 이상 떨어진 쌍의 수는 3% 증가하며, 수직으로 올라오는 NLSP의 경우 24%의 증가를 보인다.
• 다중 산만의 효과는 거의 수직인 NLSP에서 가장 두드러지며, 검출 가능한 쌍의 수를 24% 증가시키지만, 거의 수평인 경우는 단지 1.8% 증가에 그친다.
• NLKPs의 질량이 더 크고, 산만의 힘의 작용 거리가 더 길어 다중 산만의 효과가 NLSP보다 더 크다.
• 반대 전하를 가진 NLSP/NLKP 쌍에 대한 자기장 효과는 다중 산만에 비해 무시할 만큼 작다.
• 수직에 가까운 경우, 300 GeV NLKP 쌍 중 100m 이상 떨어진 쌍의 수는 다중 산만으로 67% 증가하지만, 수평에 가까운 경우는 단지 16% 증가에 그친다.