[논문 리뷰] Prompt neutrinos from atmospheric c-cbar and b-bbar production and the gluon at very small x

A. D. Martin, M. G. Ryskin외 1명|CERN Bulletin|2003. 02. 17.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 매우 작은 x에 대한 양성자 내 쿼ark의 글루온 분포의 외삽을 개선하여 고에너지 우주선 상호작용으로 인한 프롬프트 대기 중 중성미자 플럭스 예측을 향상시키며, 채르미 및 바텀 쿼크 생성 단면적의 불확실성을 요인 3 이내로 줄였다. 양성자-공기 충돌에서 c-쿼크 생성에 대해 페르투르바티브 QCD에 다음 최고차수 보정을 적용하고 GBW 모델을 통해 포화 효과를 통합함으로써, 초고에너지 중성미자 천체망원경의 중성미자 플럭스 예측에 있어 높은 신뢰성을 확보한 결과를 제시한다.

ABSTRACT

We improve the accuracy of the extrapolation of the gluon distribution of the proton to very small x, and show that the charm production cross section, needed to calculate the cosmic ray-induced `atmospheric' flux of ultrahigh energy prompt muon and tau neutrinos, may be predicted within perturbative QCD to within about a factor of three. We follow the sequence of interactions and decays in order to calculate the neutrino fluxes as a function of energy up to 10^9 GeV. We also compute the prompt neutrino tau flux from b-bbar production, hadronization and decay. New cosmic sources of neutrinos will be indicated if more prompt neutrinos are observed than predicted. If fewer neutrinos are observed than predicted, then constraints will be imposed on the nuclear composition of cosmic rays. The advantages of studying tau neutrinos are emphasized. We provide a simple parameterization of the prediction for the inclusive cross section for c quark production in high energy proton--air collisions.

연구 동기 및 목표

• 매우 작은 x에 대한 양성자 내 글루온 분포의 외삽을 개선하여 고에너지 우주선으로부터 유도되는 프롬프트 대기 중 중성미자 플럭스 예측의 불확실성을 줄이는 것.
• 초고에너지에서의 채르미 및 바텀 쿼크 생성 단면적에 영향을 미치는 이론 모델(DGLAP, BFKL, 포화 기반)의 차이를 평가하는 것.
• 10^4–10^11 GeV 에너지 범위에서 적용 가능한 proton-air 충돌에서의 포함적 c-쿼크 생성에 대한 신뢰할 수 있는 파arameterized 예측을 제공하는 것.
• 최종 중성미자 플럭스 예측에 영향을 미치는 분해, 하드론 감쇠, 그리고 캐러미드 바리온(Λc)의 x-분포에 기인한 불확실성을 정량화하는 것.
• 관측된 프롬프트 중성미자 플럭스가 예측보다 낮을 경우, 이는 우주선의 핵성분을 제약할 수 있으며, 반대로 예측을 초월하는 플럭스가 관측될 경우 새로운 천체물리적 원천을 시사할 수 있음을 규명하는 것.

제안 방법

• 매우 작은 x에서 글루온 분포를 외삽하기 위해 세 가지 모델을 사용: DGLAP에 이중 최고차수 로그(DDL) 재정렬이 적용된 모델, 통합 DGLAP/BFKL 모델, 포화 기반 GBW 모델에 포화 효과를 포함한 모델.
• 다음 최고차수(NLO) 페르투르바티브 QCD를 사용하고 약 2.3의 K-팩터를 적용하여 채르미 생성을 기술하며, 약 250 GeV에서의 고정-타겟 데이터에 校정하였다.
• 완전한 캐스케이드 모델링: pp → c̄c → D 메손 → D → τ → ντ, 및 b̄b → B 메손 → B → τ → ντ를 포함하여 분해 및 붕괴 분지 비율을 고려하였다.
• 양성자-공기 충돌에서의 포함적 c-쿼크 생성 단면적에 대한 파라미터화를 적용: x dσ/dx = A x^β (1−x^{1.2})^n, 여기서 A, β, n은 에너지에 따라 변화한다.
• Λc 하이퍼론의 x-분포, 대기 중 D-메손 감쇠, 분해 함수에 기인한 불확실성을 통합하였다.
• GBW 모델을 사용하여 보수적인 오차 범위를 적용하여 프롬프트 중성미자 플럭스의 총 불확실성을 추정하였으며, 최종 플럭스 예측도 그림의 그림자 영역으로 표현하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 에너지가 10^9 GeV에 이르는 범위에서, 페르투르바티브 QCD를 사용하여 c̄c 및 b̄b 생성에 기인한 프롬프트 중성미자 플럭스를 얼마나 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ2 고에너지 프롬프트 중성미자 플럭스 예측에서 가장 큰 불확실성의 원인은 무엇이며, 이를 어떻게 줄일 수 있는가?
• RQ3 소규모 x 글루온 분포에서의 포화 효과가 채르미 쿼크 생성 및 그로 인한 중성미자 플럭스 예측에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 Λc 하이퍼론은 프롬프트 νμ 플럭스에 얼마나 기여하는가? 이 기여도는 채르미 쿼크의 x-분포에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ5 예측된 값과 관측된 프롬프트 중성미자 플럭스 사이의 격차는 우주선의 핵성분을 어떻게 제약하는가?

주요 결과

• c̄c 생성에 기인한 프롬프트 중성미자 플럭스 예측의 불확실성은 GBW 포화 모델을 사용한 보수적인 오차 범위를 적용한 매우 작은 x에서의 글루온 외삽 향상으로 인해 요인 3 이내로 줄어들었다.
• 글루온 분포에 포화 효과를 포함시킴으로써, 특히 고에너지 영역(E > 10^8 GeV)에서 다양한 모델 간의 예측 범위가 크게 감소하였다.
• Λc 하이퍼론의 기여도는 10^4 GeV에서 약 10%에서 10^9 GeV에서 약 40%로 증가하였으며, D 메손보다 높은 x-값을 가지기 때문이다.
• 양성자-공기 충돌에서의 c-쿼크 생성에 대한 파라미터화(x dσ/dx = A x^β (1−x^{1.2})^n)는 10^4에서 10^11 GeV의 에너지 범위에서 0.05 < x < 0.6 범위에서 포함 단면적을 ±5% 이내로 재현하였다.
• c-쿼크에서 유래하는 ντ 플럭스의 주요 불확실성은 Ds → τντ 분지 비율과 생성 비율에 기인하며, b̄b → ντ 플럭스는 더 균일한 붕괴 경로로 인해 덜 불확실하다.
• 관측된 프롬프트 중성미자 플럭스가 예측보다 낮을 경우, 이는 예측이 수소 주도 성분을 가정한 것임을 감안할 때, 우주선의 핵성분을 제약할 수 있다.