[论文解读] Electron and Photon Interactions in the Regime of Strong LPM Suppression

L. Gerhardt, Klein, Spencer R.|eScholarship (California Digital Library)|Jun 30, 2010

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 7

一句话总结

本文提出了一种超高端能量中微子簇射中电子与光子相互作用的唯象模型，考虑了强LPM抑制效应以及10^20 eV以上主导的光致核反应/电子致核反应过程。结果表明，簇射长度在极端能量下仅适度增长——在10^24 eV时达到约1 km，使得电子引发的簇射产生的无线电波发射可被探测，并显著提升未来宇宙中微子搜索的灵敏度。

ABSTRACT

Most searches for ultra-high energy (UHE) astrophysical neutrinos look for radio emission from the electromagnetic and hadronic showers produced in their interactions. The radio frequency spectrum and angular distribution depend on the shower development, so are sensitive to the interaction cross sections. At energies above about 10^{16} eV (in ice), the Landau-Pomeranchuk-Migdal (LPM) effect significantly reduces the cross sections for the two dominant electromagnetic interactions: bremsstrahlung and pair production. At higher energies, above about 10^{20} eV, the photonuclear cross section becomes larger than that for pair production, and direct pair production and electronuclear interactions become dominant over bremsstrahlung. The electron interaction length reaches a maximum around 10^{21} eV, and then decreases slowly as the electron energy increases further. In this regime, the growth in the photon cross section and electron energy loss moderates the rise in nu_e shower length, which rises from ~10 m at 10^{16} eV to ~50 m at 10^{19} eV and ~100 m at 10^{20} eV, but only to ~1 km at 10^{24} eV. In contrast, without photonuclear and electronuclear interactions, the shower length would be over 10 km at 10^{24} eV.

研究动机与目标

• 建立冰中极高能下电子与光子簇射发展的模型，其中标准电磁过程因LPM效应被抑制。
• 研究光致核反应与电子致核反应在10^20 eV以上能量下对簇射增长的调节作用。
• 量化这些过程的引入对簇射长度与无线电波发射潜力的影响，特别是对νₑ引发的簇射。
• 评估电子引发簇射产生的无线电契伦科夫辐射的可探测性及其对未来中微子实验的意义。
• 比较存在与不存在LPM抑制及额外强子相互作用时的电磁簇射长度，尤其在10^20 eV以上能量区域。

提出的方法

• 采用唯象方法计算电子与光子的相互作用截面，整合LPM抑制与介电屏蔽效应。
• 应用Bethe-Heitler形式化处理轫致辐射与对产生过程，通过LPM与介电抑制因子进行修正。
• 引入电子与光子的有效相互作用长度，包含光致核反应与电子致核反应的贡献。
• 使用类蒙特卡罗方法模拟簇射发展，追踪能量沉积与各能量区间内的相互作用长度。
• 通过累加相互作用长度并考虑能量损失机制来计算总簇射长度，与纯电磁及强子簇射进行对比。
• 采用简化的簇射模型：每一级分裂为两个能量减半的粒子，直至达到临界能量，以估算相互作用长度与簇射增长。

实验结果

研究问题

• RQ1 在10^20 eV以上能量下，LPM抑制与光致核反应/电子致核反应如何影响冰中电子引发簇射的发展？
• RQ2 当包含强LPM抑制与额外相互作用时，10^24 eV下νₑ引发簇射的最终簇射长度是多少？
• RQ3 在超高端能量下，电子引发簇射的无线电波发射潜力与强子簇射相比如何？
• RQ4 与纯电磁过程相比，光致核反应与电子致核反应在多大程度上抑制了簇射长度的上升？
• RQ5 尽管在极端能量下结构拉长，电子引发簇射是否仍能产生可探测的相干无线电契伦科夫辐射？

主要发现

• 在10^24 eV时，当包含光致核反应与电子致核反应时，电磁簇射长度约为1 km，而若不考虑这些过程则超过10 km。
• 在10^20 eV以上，由于光致核反应与电子致核反应占主导，簇射长度随能量增加仅缓慢增长，进一步抑制了簇射的扩展。
• 电子相互作用长度在约10^21 eV处达到最大值，随后在更高能量下缓慢减小。
• 在10^24 eV时，电子引发簇射仅比强子簇射长约三十倍，使其无线电波发射具有潜在可探测性。
• 若不考虑LPM抑制与额外相互作用，10^24 eV时簇射长度将超过10 km，但强抑制与强子过程的引入将长度限制在约1 km。
• 尽管簇射结构拉长，电子簇射的无线电波发射仍具备可探测性，因其能量沉积具有足够的相干性与角度聚焦性。