[论文解读] Direct Measurement of the Atmospheric Muon Energy Spectrum with IceCube

Patrick Berghaus|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用 5

一句话总结

本文利用冰立方中微子探测器在22根线缆配置下的数据，直接测量了大气μ子能量谱，通过μ子诱发的光子信号估算地表μ子能量。该方法在约100 TeV能量范围内具有灵敏度，数据与模拟结果高度一致，证明了大型中微子望远镜在探测宇宙射线成分‘膝’附近区域的可行性。

ABSTRACT

Data from the IceCube detector in its 22-string configuration (IC22) were used to directly measure the atmospheric muon energy spectrum near the horizon. After passage through more than 10 km of ice, muon bundles from air showers are reduced to single muons, whose energy can be estimated from the total number of photons registered in the detector. The energy distribution obtained in this way is sensitive to the cosmic ray composition around the knee and is complementary to measurements by air shower arrays. The method described extends the physics potential of neutrino telescopes and can easily be applied in similar detectors. Presented is the result from the analysis of one month of IC22 data.

研究动机与目标

• 直接测量以往地下探测器无法覆盖的能量范围之外的大气μ子能量谱。
• 利用μ子能量分布探测宇宙射线成分在宇宙射线能谱‘膝’附近的特性。
• 证明尽管无法分辨单个μ子，冰立方等中微子望远镜仍可作为高能μ子谱仪使用。
• 开发并验证一种基于总光子多重性和倾斜深度的地表能量代理，用于估算大气中μ子的能量。
• 降低大气轻子通量模型中的系统性不确定度，从而提高对弥漫宇宙起源中微子信号的探测灵敏度。

提出的方法

• 分析使用了IC22的一个月数据，聚焦于水平方向的μ子事例，以最大化穿越10多公里冰层的穿透能力。
• μ子能量通过一个地表能量代理 $\tilde{e}_{\text{surf}}$ 估算，其与 $\log(n_\gamma) \cdot d_{\text{slant}}$ 成正比，其中 $n_\gamma$ 为检测到的总光子数，$d_{\text{slant}}$ 为倾斜深度。
• 该代理通过蒙特卡洛模拟进行标定，使其与标准 $E^{-3.7}$ 谱下的平均 $\log(E_{\mu,\text{surf}}/\text{GeV})$ 保持一致。
• 该方法假设簇簇中能量最高的μ子主导探测器响应，因此可忽略低能轨迹的影响。
• 该代理的能量分辨率在测量范围内为 $\Delta\log_{10}(E) \approx 0.3-0.4$。
• 利用模拟的μ子多重性和能量分布，验证了代理在各能量区间内的线性关系及高斯展宽特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 大型体积中微子探测器如冰立方能否直接测量超过70 TeV的宇宙射线大气μ子能量谱？
• RQ2 当前宇宙射线成分模型（基于刚度、质量依赖或恒定）在冰立方中对观测到的μ子能量谱的拟合程度如何？
• RQ3 考虑到探测器的空间粒度和冰中能量损失，地表能量代理 $\tilde{e}_{\text{surf}}$ 能在多大程度上准确重建大气中的μ子能量？
• RQ4 IC22数据在区分‘膝’附近区域不同宇宙射线成分模型方面的灵敏度如何？
• RQ5 探测器响应中的系统性不确定度在多大程度上影响μ子能量谱测量的可靠性？

主要发现

• 利用IC22数据测得的μ子能量谱延伸至约100 TeV，覆盖了此前上限约三倍的能量范围。
• 在整个能量范围内，数据与模拟事件率高度一致，当 $\tilde{e}_{\text{surf}} < 5$ 时，数据与模拟的比值保持在±10%以内。
• 当 $\tilde{e}_{\text{surf}} > 5$（对应 $E_{\mu} > 100$ TeV）时，仅记录到三个数据事例，表明在最高能量区段统计量较低。
• 根据恒定成分模型预测，最高能段（$5.1 < \tilde{e}_{\text{surf}} < 5.2$）的事件产额约为10个，表明当前数据尚无法明确排除三种成分模型中的任何一种。
• 能量代理 $\tilde{e}_{\text{surf}}$ 的分辨率约为 $\Delta\log_{10}E \approx 0.3-0.4$，与探测器响应和μ子能量损失的预期一致。
• 该分析证实，簇簇中能量最高的μ子主导了信号响应，验证了在能量估算中可忽略低能μ子的假设。