[论文解读] Imaging the Internal Structure of the Earth with Atmospheric Neutrinos

M. C. González-García, F. Halzen+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2007

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 3

一句话总结

本文提出利用第二代千米级中微子探测器探测的大气中微子，通过测量其穿越地球长基线路径时的中微子吸收，来成像地球内部密度结构。该方法利用宇宙射线在大气中相互作用产生的高能中微子，为探测地球内部密度变化提供了可行的替代方案，相较于加速器束流具有更高的灵敏度。

ABSTRACT

A measurement of the absorption of neutrinos with energies in excess of 10 TeV when traversing the Earth is capable of revealing its density distribution. Unfortunately, the existence of beams with sufficient luminosity for the task has been ruled out by the AMANDA South Pole neutrino telescope. In this letter we point out that, with the advent of second-generation kilometer-scale neutrino detectors, the idea of studying the internal structure of the Earth may be revived using atmospheric neutrinos instead.

研究动机与目标

• 探索使用高能大气中微子而非人工束流重建地球内部密度结构的可行性。
• 解决加速器亮度不足导致中微子吸收研究在地球内部探测中受限的问题。
• 证明第二代千米级中微子探测器可利用天然存在的大气中微子实现中微子地球断层扫描。
• 通过从加速器束流转向大气中微子源，使基于中微子的地球成像概念重获新生。

提出的方法

• 利用宇宙射线在地球大气中相互作用产生的高能大气中微子作为天然中微子源。
• 测量中微子在穿越地球不同路径时的能量依赖性吸收。
• 应用中微子吸收数据推断不同弦路径上地球密度的变化。
• 利用探测到的中微子的方位角和能量分布，通过反演建模重建内部密度分布。
• 利用第二代千米级中微子探测器对10 TeV以上高能中微子的高灵敏度。
• 建立预期中微子通量和吸收截面的模型，以预测不同密度结构下的可探测信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 大气中微子是否能提供足够的统计量和能量分辨率以成像地球内部密度结构？
• RQ2 中微子吸收揭示地球内部有意义密度对比所需的最低能量阈值是多少？
• RQ3 与加速器中微子源相比，大气中微子源在中微子吸收成像中的灵敏度如何？
• RQ4 使用大气中微子进行中微子地球断层扫描的关键系统误差是什么？

主要发现

• 能量高于10 TeV的大气中微子可通过吸收测量用于探测地球内部密度分布。
• 第二代千米级中微子探测器能够探测穿越地球的高能大气中微子的吸收信号。
• 该方法为加速器束流提供了可行的替代方案，后者因亮度不足而难以实际应用。
• 利用大气中微子的中微子吸收成像可揭示地球内部（尤其是地幔和地核）的密度变化。