[论文解读] Arrays is Space to detect Upward Tau and Highest Altitude Showers

Daniele Fargion|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2001

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 3

一句话总结

本文提出利用空间平台和高空气球阵列探测超高能（UHE）向上tau中微子及其相关空气簇射——UPTAUS、HORTAUS 和 HIAS。通过利用地球磁场将簇射粒子偏转成双束弧形，并利用薄大气层中能量依赖的簇射发展特性，该方法可借助独特的形态学和方向性特征探测罕见的UHE中微子相互作用。

ABSTRACT

Ultra High Energy, UHE, upward Tau neutrinos Tau, anti-neutrino Tau, above hundred TeVs and up to tens PeV energies, of relevant astrophysical nature, may lead to UHE Taus and consequent Up-ward Tau air-Showers {UPTAUS} after interaction on Earth crust surface. The UPTAUS discover may open a new UHE Tau Neutrino Astrophysics. A new generation of Gamma, X, optical and Radio Arrays in Space may discover, in the same Auger spirit, such up-coming Air-showers as well as an additional Tau signal: the nearly Horizontal Tau AIR-Shower {HORTAUS} originated by UHE neutrinos tau at 10^{19} eV energies arising from a thin Earth crust corona at few tens of degree below the horizons; a degree above the horizons, there should be over common diffused cosmic ray albedo, an additional High Altitudes (nearly Horizontal) Showers {HIAS}, by more common Cosmic Rays primaries at PeVs up to EeV and ZeV energies, both of hadronic or of electro-magnetic $γ$ nature. Mini-arrays detectors in high Altitude Balloons tails facing the horizons and the Earth below may also reveal both UPTAUS, and HIAS, and more rarely HORTAUS. Gamma Burst, Cherenkov flashes and rarer muons observed by high mountains peak arrays or high quota balloon array may better probe UPTAUS and HORTAUS. Present and future X-Gamma satellites as Beppo-Sax may be also able to discover HORTAUS and HIAS discovering transient events by UHE source (as the Crab) while in occultation by Earth. Because of the large shower distances and the Earth magnetic field, HIAS and HORTAUS showers will be split in a {Twin-Beams} fan-shaped wide arc, orthogonal to the terrestrial magnetic field, with a strong azimuths modulation. Gamma bursts with rare single muons or neutrons at the horizon, associated with HIAS, HORTAUS may be discovered by Glast and AMS satellite.

研究动机与目标

• 探索超高能（UHE）向上tau中微子（$\nu_{\tau}$）及其衰变产物作为空气簇射的可探测性。
• 通过识别地球地壳和大气层中罕见的相互作用窗口，解决UHE中微子在地球中不透明的问题。
• 提出利用空间平台和高空平台探测UPTAUS（向上tau空气簇射）、HORTAUS（近水平tau簇射）和HIAS（高空簇射）的新策略。
• 基于几何结构、能量依赖性及磁场效应，将这些新型簇射与传统向下空气簇射区分开来。
• 通过独特的簇射形态和方位调制，实现对UHE中微子源的新天体物理探测。

提出的方法

• 在 $10^{14}$–$10^{16}$ eV 能量范围内建模UHE $\nu_{\tau}$ 在地球地壳中的相互作用，以产生向上tau空气簇射（UPTAUS）。
• 利用Landau-Pomeranchuk-Migdal（LPM）效应和tau衰变运动学，预测簇射的发展过程与组成（强子型、电磁型或混合型）。
• 应用超越方程计算簇射倾斜深度与衰变长度，以确定HIAS和HORTAUS的最优簇射起始高度（$h_1$, $h_3$）。
• 模拟磁场对簇射粒子的偏转，形成与地球磁场正交的双束、扇形弧形，具有强烈的方位调制特性。
• 分析HIAS和HORTAUS的轨迹与能量依赖性，以区分其与直接UPTAUS及背景宇宙射线反向散射。
• 提出利用高空气球阵列和卫星仪器（如GLAST、AMS）通过时间、能谱和角度特征探测这些稀有事件。

实验结果

研究问题

• RQ1 在100 TeV以上能量下，UHE $\nu_{\tau}$ 在地球地壳中的相互作用是否能产生可探测的向上tau空气簇射（UPTAUS）？
• RQ2 在GZK截止附近，UHE $\nu_{\tau}$ 的切向相互作用形成近水平tau簇射（HORTAUS）的最优能量与几何构型为何？
• RQ3 地球磁场如何影响UPTAUS和HORTAUS中簇射粒子的轨迹与角分布？
• RQ4 高空气球与卫星阵列能否基于形态学与时间特征，将HIAS（来自UHECR的高空簇射）与UPTAUS及HORTAUS区分开来？
• RQ5 HIAS与HORTAUS的特征簇射发展深度与衰变长度为何？它们如何随能量与粒子类型变化？

主要发现

• UPTAUS预计在 $10^{15}$–$10^{16}$ eV 能量下形成，由于大气密度降低，簇射发展发生在高海拔（44–42 km）。
• HORTAUS簇射起始高度为23 km，tau衰变长度为546 km，可探测能量达 $1.11 \times 10^{19}$ eV。
• 对于HIAS，强子型簇射的最佳簇射发展高度为 $h_{1_{\text{Had.}}} = 44.08 - 8.55 \ln[1 + 0.02523 \ln(E/10^{19}\text{eV})]$ km。
• HIAS与HORTAUS的轨迹受地球磁场作用弯曲成双束、扇形弧形，最大偏转发生在东西方向，最小在南北方向。
• 磁场偏转导致簇射强度出现强烈的方位调制，为区分这些事件与背景提供了独特特征。
• 在20–30 km高度的高空气球阵列是探测HIAS与HORTAUS的最佳选择，因其可同时观测地平线以上与以下的事件，而地面探测器则不具备此能力。