[論文レビュー] High energy extension of the FLUKA atmospheric neutrino flux

G. Battistoni, Anna Ferrari+2 more|ArXiv.org|May 19, 2003

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 11

ひとこと要約

この論文は、10^4 GeVまで拡張されたFLUKAの大気中ニュートリノフラックスシミュレーションを提示し、上向きに進むミューオンの検出を含む高エネルギーニュートリノ実験の正確なモデル化を可能にした。エネルギー区分ごとの並列シミュレーションと重み付き和算を用いることで、エネルギーに依存しない低い統計的不確実性を達成し、1 TeVを超える領域では主フラックスの不確実性が系誤差を支配しており、20%を超えることが明らかになった。

ABSTRACT

The atmospheric neutrino flux calculated with FLUKA was originally limited to 100-200 GeV for statistical reasons. In order to make it available for the analysis of high energy events, like upward through-going muons detected by neutrino telescopes, we have extended the calculation so to provide a reliable neutrino yield per primary nucleon up to about 10**6 GeV/nucleon, as far as the interaction model is concerned. We point out that the primary flux model above 100 GeV/nucleon still contributes with an important systematic error to the neutrino flux.

研究の動機と目的

• 上向きに進むミューオンの検出を含む高エネルギーニュートリノ実験を支援するため、FLUKAの大気中ニュートリノフラックス計算を100 GeVを超えて拡張すること。
• 過去のFLUKAシミュレーションで計算コストの高さにより約100 GeVまでに制限されていた統計的限界を克服すること。
• 特に1 TeVを超える領域において、主宇宙線フラックスの不確実性が高エネルギーニュートリノフラックス予測に与える影響を定量化すること。
• 2001年Bartolおよび旧Bartolフィットを含む、さまざまな主スペクトルに対応する信頼性が高く高精度なニュートリノフラックス表を提供すること。

提案手法

• エネルギー区間を狭く分け（約30 GeVから10^6 GeV/nucleon）、並列シミュレーションを実施することで、エネルギーに依存しない統計的不確実性を確保した。
• 単一スペクトルのサンプリングを避けるために、任意の所望する主全核種スペクトルのニュートリノフラックスを再構成する重み付き和算スキームを採用した。
• 従来のFLUKA研究と同一の物理モデルおよび衝突アルゴリズムを維持し、高精度なハドロンおよび電磁シャワー・モデルの利点を活用した。
• 方向性フラックス解析を可能にするために、1つの半球に10個の天頂角ビンに分けてニュートリノの方位分布を記録した。
• 10^6 GeV/nucleonまでシミュレーションを実施し、10^4 GeVまでの信頼性あるニュートリノ生成率を保証した。
• 2種類の異なる主フラックスモデル（2001年Bartolフィットと1996年Bartolフィット）を用いて結果を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 上向きに進むミューオン実験に必要な10^4 GeVまでのエネルギー範囲をカバーするため、FLUKAの大気中ニュートリノフラックスをどのように拡張できるか？
• RQ2 異なる主宇宙線スペクトルが高エネルギー大気中ニュートリノフラックス予測に与える影響は何か？
• RQ3 1 TeVを超える領域において、主宇宙線フラックスの不確実性が高エネルギーニュートリノフラックスの系誤差をどれほど支配するか？
• RQ4 並列シミュレーションと重み付き和算アプローチを用いることで、高エネルギーニュートリノフラックス計算の統計的不確実性を最小限に抑えることができるか？

主な発見

• FLUKAの大気中ニュートリノフラックスは、10^4 GeVまで成功裏に拡張され、高エネルギー上向きミューオンイベントの解析に利用可能となった。
• 並列シミュレーションと重み付き和算法により、ニュートリノフラックスの統計的不確実性はエネルギーにほとんど依存しなくなった。
• 主全核種スペクトルの選択が高エネルギーニュートリノフラックスに大きな影響を及ぼし、10^4 GeV領域では2倍以上の差が生じる場合がある。
• 1 TeVを超える領域における主フラックスの不確実性は、ニュートリノフラックス予測の総系誤差の20%以上を占めると推定された。
• 2001年Bartolフィットは旧フィットよりもスペクトルがやや緩やかであり、特にνμおよびν̄μの高エネルギー領域で顕著に低いニュートリノフラックスをもたらした。
• γを2.6から3.0の範囲で変化させるべきべき乗則スペクトル（E^-γ）を仮定した外挿では、主フラックスの高エネルギー挙動が結果のニュートリノフラックスに強く影響することが示された。