[论文解读] High-energy atmospheric neutrinos

S. I. Sinegovsky, A. A. Kochanov+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2010

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 4被引用 3

一句话总结

本文使用QGSJET-II、SIBYLL 2.1和KM强子相互作用模型，基于非标度的包含截面、上升的强子-核物质非弹性截面以及非幂律的原初宇宙射线能谱，对高能大气μ中微子通量（10–10⁷ GeV）进行了新的1维计算。关键结果是在1 TeV以上能量区域，SIBYLL 2.1与QGSJET-II预测之间存在高达1.8倍的通量差异，主要源于粲介子产生截面的不确定性。

ABSTRACT

High-energy neutrinos, arising from decays of mesons that were produced through the cosmic rays collisions with air nuclei, form unavoidable background noise in the astrophysical neutrino detection problem. The atmospheric neutrino flux above 1 PeV should be supposedly dominated by the contribution of charmed particle decays. These (prompt) neutrinos originated from decays of massive and shortlived particles, $D^\pm$, $D^0$, $\bar{D}{}^0$, $D_s^\pm$, $Λ^+_c$, form the most uncertain fraction of the high-energy atmospheric neutrino flux because of poor explored processes of the charm production. Besides, an ambiguity in high-energy behavior of pion and especially kaon production cross sections for nucleon-nucleus collisions may affect essentially the calculated neutrino flux. There is the energy region where above flux uncertainties superimpose. A new calculation presented here reveals sizable differences, up to the factor of 1.8 above 1 TeV, in muon neutrino flux predictions obtained with usage of known hadronic models, SIBYLL 2.1 and QGSJET-II. The atmospheric neutrino flux in the energy range $10-10^7$ GeV was computed within the 1D approach to solve nuclear cascade equations in the atmosphere, which takes into account non-scaling behavior of the inclusive cross-sections for the particle production, the rise of total inelastic hadron-nucleus cross-sections and nonpower-law character of the primary cosmic ray spectrum. This approach was recently tested in the atmospheric muon flux calculations [1]. The results of the neutrino flux calculations are compared with the Frejus, AMANDA-II and IceCube measurement data.

研究动机与目标

• 在10–10⁷ GeV能量范围内，通过改进的物理建模，计算高能大气μ中微子通量。
• 评估强子相互作用模型（QGSJET-II、SIBYLL 2.1、KM）对中微子通量预测的影响。
• 评估原初宇宙射线能谱模型和强子相互作用参数对常规中微子和快中微子通量不确定性的影响。
• 将模型预测与AMANDA-II和IceCube实验数据进行比较，以约束快中微子贡献。
• 量化粲介子产生截面在高能区域作为通量不确定性主要来源的作用。

提出的方法

• 采用1D解法（NS）求解大气中的核级联方程，考虑非标度的包含截面以及上升的总非弹性强子-核物质截面。
• 采用Zatsepin-Sokolskaya（ZS）原初宇宙射线能谱模型（有效至100 PeV），并在10⁶ GeV以下采用GH参数化。
• 应用谱加权矩（z_pc）比较强子模型的行为，尤其关注π介子和K介子的产生。
• 通过π±、K±和μ±的衰变计算中微子通量，包括三体半轻衰变（Kμ3）和μ子衰变的贡献。
• 采用在先前大气μ子通量计算中已验证的NS方法（kss08, kss09, sks10）以保证一致性。
• 进行与天顶角相关的通量计算，并与AMANDA-II和IceCube数据进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同的强子相互作用模型（QGSJET-II、SIBYLL 2.1、KM）如何影响高能大气μ中微子通量的预测？
• RQ2 在1 TeV以上能量区域，K介子产生截面的相对贡献在常规中微子通量不确定性中占多大比重？
• RQ3 原初宇宙射线能谱和成分的不确定性在多大程度上影响大气中微子通量的预测？
• RQ4 在100 TeV能量范围内，模型预测与AMANDA-II和IceCube实验数据的符合程度如何？
• RQ5 哪些快中微子通量模型（VZ、RQPM、QGSM、GGV）与AMANDA-II对弥漫中微子通量的上限一致？

主要发现

• SIBYLL 2.1与QGSJET-II在1 TeV以上能量区域预测的常规μ中微子通量差异最高可达1.8倍，主要源于K介子产生截面的差异。
• 在高能区域，QGSJET-II + GH模型给出最低的常规中微子通量，能量为100 TeV、天顶角90°时，E²φν = 1.11×10⁻⁸ cm⁻² sr⁻¹ GeV。
• 在100 TeV能量下，RQPM模型（4.61×10⁻⁸ cm⁻² sr⁻¹ GeV）和QGSM模型（1.22×10⁻⁸ cm⁻² sr⁻¹ GeV）预测的快中微子通量与AMANDA-II的上限（7.4×10⁻⁸ cm⁻² sr⁻¹ GeV）一致。
• VZ快中微子通量（8.12×10⁻⁸ cm⁻² sr⁻¹ GeV）超过AMANDA-II的限制，表明其与当前数据不一致。
• 在10至10⁵ GeV能量区间，大气μ中微子通量对原初谱模型的依赖性较弱，但在更高能量区域对强子相互作用模型的依赖性显著。
• 本研究证实，尽管μ中微子和中微子均源于强子级联，但K介子产生在中微子通量不确定性中的作用比在μ子通量中更为关键。