[논문 리뷰] Upper Limit on Forward Charm Contribution to Atmospheric Neutrino Flux

F. Halzen, Logan Wille|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 12.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 양성자-양성자 충돌에서의 전방 쿼크 생성 기여도에 대한 상한을 양자 chromodynamics(QCD)를 이용해 도출하였으며, 주로 $qc\to qc$ 및 $gc\to gc$ 과정에서의 동반 쿼크 분리에 초점을 맞추었다. 분석 결과, 전방 쿼크는 고에너지 중성미자를 생성할 수 있으나, IceCube가 관측한 테바론 범위 중성미자 또는 30 테바론 초과 현상은 설명할 수 없으며, 이는 고에너지 우주 중성미자 신호의 기여원으로서의 가능성을 배제한다.

ABSTRACT

We revisit the calculation of charm particle production in hadron collisions, focusing on the production of charm particles that carry a large fraction of the momentum of the incident proton. In the case of strange particles, such a component is familiar from the abundant production of $K^+Λ$ pairs. Modern collider experiments have no coverage in the very large rapidity region where the forward pair production dominates. While forward charm particles are produced inside the LHC beampipe, they dominate the high-energy atmospheric neutrino flux in underground experiments because long-lived pions and kaons interact before decaying into neutrinos. The fragmentation of the spectator quark in the partonic subprocesses $qc ightarrow qc$ and $gc ightarrow gc$ is responsible for the forward component of charm production in perturbative QCD. We use this phenomenological framework to construct a charm cross section that saturates available accelerator and cosmic ray data, i.e., it represents an upper limit on the normalization of the charm cross section that cannot be reliably calculated because the charm mass is much smaller than the center-of-mass energy. Where the highest energy IceCube observations are concerned, we conclude that the upper limit on the flux of neutrinos from forward charm production may dominate the much-studied central component. It may therefore also represent a significant contribution to the TeV atmospheric neutrino flux but cannot accommodate the PeV flux of high-energy cosmic neutrinos observed by IceCube, or even the excess of events observed in the 30 TeV energy range.

연구 동기 및 목표

• 고에너지 영역에서의 대기 중성미자 플럭스에 대한 전방 쿼크 생성 기여도의 최대 가능 기여도를 정량화하는 것.
• 고에너지에서의 작은 $m_c/\sqrt{s}$ 조건으로 인한 쿼크 생성 단면적 정규화 불확실성 문제를 다루는 것.
• IceCube가 관측한 고에너지 중성미자 플럭스, 특히 30 테바론 초과 현상에 대해 전방 쿼크 붕괴 생성입자가 설명 가능할지 평가하는 것.
• IceCube의 남반구 및 북반구에서 전방 쿼크 붕괴로 인한 즉각 중성미자 플럭스에 대한 자기 억제(self-veto) 효과의 영향을 평가하는 것.
• 가속기 및 대기 중성미자 데이터와 일치하는 현상학적 상한을 제공하는 것, 즉 전방 쿼크에서 기인한 즉각 중성미자 플럭스에 대한 상한을 제시하는 것.

제안 방법

• 고에너지에서의 고-$x_F$ 쿼크 하드론 생성에 기여하는 $qc\to qc$ 및 $gc\to gc$ 반응에서의 동반 쿼크 분리를 주로 고려하여, 최초 차수의 양성자 QCD를 사용하여 모델링한다.
• 가속기 및 천체선입자 데이터를 모두 충족하는 쿼크 생성 단면적을 구성하여, 큰 $\log(1/x)$ 보정 항으로 인해 정규화 상한으로서의 역할을 한다.
• 중성미자 붕괴를 가정하고, 프라임 중성미자 플럭스를 계산하기 위해 프리맨-($x_F$) 분포를 적용한다.
• 특히 상향 방향 뮤온 중성미자에 대한 지구 내 중성미자 흡수를 고려하여 IceCube 내 자기 억제 효과를 포함한다.
• 2년간의 MESE 분석 결과와 관측 데이터를 남반구 및 북반구에서 비교하여 일관성 여부를 검증한다.
• 고에너지 생성을 모델링하기 위해 식 (4)~(6)의 부분 입자 단면적을 운동량 임계값 및 로그 항과 함께 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강입자 충돌에서의 전방 쿼크 생성이 IceCube가 관측한 고에너지 대기 중성미자 플럭스를 설명할 수 있는가?
• RQ2 가속기 및 대기 중성미자 데이터와 일치하는 조건에서 전방 쿼크 성분의 최대 정규화는 얼마인가?
• RQ3 전방 쿼크 붕괴에서 기인한 즉각 중성미자 플럭스가 IceCube의 저에너지 분석에서 관측된 30 테바론 초과 현상을 설명할 수 있는가?
• RQ4 전방 쿼크 붕괴에서 기인한 즉각 중성미자 플럭스가 IceCube가 관측한 페타론 수준의 우주 중성미자 플럭스를 설명할 수 있는가?
• RQ5 자기 억제 효과는 IceCube의 남반구 및 북반구에서 전방 쿼크 기인 중성미자 탐지 가능성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 대기 중성미자 플럭스에서 전방 쿼크 기여도의 상한은 주로 $qc\to qc$ 및 $gc\to gc$ 과정에서의 동반 쿼크 분리에 의해 결정된다.
• 전방 쿼크 성분은 테바론 범위의 대기 중성미자 플럭스에 상당한 기여를 하지만, IceCube가 관측한 최고 에너지 사건을 설명할 수는 없다.
• IceCube의 2년간 MESE 분석에서 전방 쿼크 중성미자 예측 사건 수는 자기 억제를 고려한 후에도 남반구에서 관측 데이터와 심각한 괴리가 존재한다.
• 모델의 상한 플럭스는 IceCube의 저에너지 분석에서 관측된 30 테바론 초과 현상을 수용하지 못하며, 이는 초과 현상을 설명할 수 없음을 시사한다.
• 전방 쿼크 생성에서 기인한 즉각 중성미자 플럭스는 너무 부드럽고, 고에너지에서 관측된 우주 중성미자 스펙트럼의 급격한 기울기 변화를 재현할 수 없다.
• 분석 결과, 최대 정규화 조건에서도 관측된 페타론 중성미자 플럭스는 전방 쿼크 붕괴에서 기인한 즉각 중성미자로 설명될 수 없다는 것이 확인되었다.