[论文解读] Atmospheric leptons, the search for a prompt component

T. K. Gaisser|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 18被引用 5

一句话总结

本文综述了大气中微子通量的理论值，重点分析了来自粲强子衰变的快中微子与快μ子，这些是探测天体中微子的关键背景。通过解析近似方法和原初宇宙射线谱，估算大型体积探测器（如IceCube）中的事例率，结果表明在100 TeV以上，快中微子的贡献显著，理想条件下在100 TeV以上每立方公里每年约有5次电子中微子相互作用。

ABSTRACT

The flux of high-energy (>GeV) neutrinos consists primarily of those produced by cosmic-ray interactions in the atmosphere. The contribution from extraterrestrial sources is still unknown. Current limits suggest that the observed spectrum is dominated by atmospheric neutrinos up to at least 100 TeV. The contribution of charmed hadrons to the flux of atmospheric neutrinos is important in the context of the search for astrophysical neutrinos because the spectrum of such "prompt" neutrinos is harder than that of "conventional" neutrinos from decay of pions and kaons. The prompt component therefore becomes increasingly important as energy increases. This paper reviews the status of the search for prompt muons and neutrinos with emphasis on the complementary aspects of muons, electron neutrinos and muon neutrinos.

研究动机与目标

• 评估来自粲强子衰变的快中微子在高能区对总中微子通量的贡献。
• 量化在100 TeV至PeV能量范围内，寻找地外中微子时快轻子带来的背景影响。
• 利用更新的加速器数据和模型，改进对宇宙射线相互作用中粲夸克产生机制的理解。
• 估算在IceCube等千米量级中微子探测器中，μ子和电子中微子的可探测事例率。
• 评估中微子在地球中的吸收和地球遮挡效应对向上穿过中微子信号的影响。

提出的方法

• 采用基于磁刚度和谱指数的唯象学三组分原初宇宙射线谱模型。
• 应用强子相互作用和粲夸克产生截面的解析近似方法，结合加速器和LHC实验的数据。
• 利用能量依赖的产生与衰变链，计算常规与快大气μ子和中微子的通量。
• 利用带电流截面和探测器几何结构，估算中微子诱发μ子和电子中微子簇射的有效面积与事例率。
• 通过指数抑制方式引入中微子在地球中的吸收，其衰减程度与能量和天顶角相关。
• 采用蒙特卡罗启发式估算与解析外推法，评估快中微子分量的不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在100 TeV以上能量时，大气中微子的快中微子分量有多重要？
• RQ2 在IceCube等千米量级探测器中，来自快中微子源的电子中微子相互作用预期事例率是多少？
• RQ3 中微子在地球中的吸收与地球遮挡效应对向上穿过快中微子探测有何影响？
• RQ4 宇宙射线相互作用中内在粲夸克产生对高能大气轻子通量的影响有多大？
• RQ5 原初宇宙射线谱和强子相互作用模型的不确定性如何影响快轻子通量的预测？

主要发现

• 来自粲强子衰变的快中微子通量在100 TeV以上变得越来越重要，其能谱比常规大气中微子更硬。
• 在理想探测器中，100 TeV以上每立方公里每年预计约有5次电子中微子相互作用，而1 PeV以上每十年不到一次事件。
• 中微子在地球中的吸收使100 TeV处的向上通量减少9%，1 PeV处减少23%，显著影响探测率。
• 快电子中微子与快μ子中微子的通量几乎相等，因此与常规中微子相比，中性流相互作用在快中微子分量中不占主导地位。
• 在100 TeV以下，常规大气中微子通量占主导，但在PeV能量范围，快中微子分量是天体中微子搜索的主要背景。
• 原初宇宙射线谱和粲夸克产生模型仍存在较大不确定性，尤其是在TeV和PeV能量范围，亟需更精确的模型和来自LHC实验的数据支持。