[论文解读] Horizontal Tau air showers from mountains in deep valley. Traces of UHECR neutrino tau

Daniele Fargion, Andrea Aiello+1 more|ArXiv.org|Jun 28, 1999

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 30

一句话总结

该论文提出通过深山峡谷中的水平空气簇射探测超高能（UHE）tau中微子，其中长程tau衰变会产生独特的荧光/切伦科夫信号。通过利用峡谷几何结构抑制μ子背景，并利用相对论性时间膨胀效应增强tau轨迹的可见性，该方法预测在PeV能量下每年可探测到数十个可观测事件，为km³级探测器提供了一种低成本替代方案。

ABSTRACT

Ultra High Energy (UHE) Tau neutrino may lead to a very peculiar imprint in future underground $Km^3$ detectors in water and ice as well as in air: rarest secondary tau tracks and decay which may exceed the muon ones. Indeed Bremsstrahlung at high energy lead to longer tracks for heavier leptons. Radiation lenght grows nearly with the square of the lepton mass. Indeed electrons are too light and their trace in matter (liquid or rock) is negligible (tens of centimeters); muons are much better observed, while tau are too short life time and too short range to be found. However, because relativistic time expansion, UHE tau traces in matter, above $10^{17} eV$, are relativistically boosted overcoming the corresponding muon tracks, already bounded by bremsstrahlung logarithmic regime. The tau crossing for Kms in water or ice may be confused with common muon tracks; their tau decay may be misunderstood as muonic catastrophic bremsstrahlung interactions. To economize UHE tau discovery, we suggest to look the tau decay in air into the deep valleys mountains, like Canyons or deep in excavation mines where horizontal air showers induce fluorescent or Cerenkov lights. The mountain valley width screens from horizontal secondary muons. The valley height increases the solid angle view. The horizontal air Kms-size gap offer a strong discriminator to filter UHE muons against tau. Tens event a year at PeV (W resonance peak) energies in $Km^3$ excavation gap should be observable . Hunting air shower in the night toward high mountains in Canyons or in a deep excavation may be the best and cheapest way to discover UHE neutrinos, either born by electron anti neutrino scattering on electrons at PeV energies, or by direct tau neutrino possibly relic of muonic flavour oscillation even at EeV energies.

研究动机与目标

• 提出一种低成本、高灵敏度探测UHE tau中微子的方法，因为其衰变长度极短，难以直接观测。
• 利用相对论性时间膨胀效应以及辐射长度随轻子质量的缩放关系（R ∝ m⁻²），增强在介质中长tau轨迹的可探测性。
• 证明深谷或挖掘的峡谷可通过过滤水平μ子，充当天然的“km³”探测器，从而增强tau衰变信号的可见性。
• 为探测UHE中微子天体物理学提供一种可行的替代方案，以替代大规模水下或冰基km³中微子探测器。
• 通过空气簇射观测，实现ντ的直接实验证据以及在EeV能量下可能的味振荡效应。

提出的方法

• 利用深谷或高山峡谷作为天然探测器，观测由UHE tau中微子引发的水平空气簇射。
• 利用峡谷壁对水平μ子的几何屏蔽效应，抑制μ子簇射带来的背景。
• 利用高海拔峡谷位置提供的更大立体角视野，提升探测效率。
• 应用相对论性时间膨胀效应，延长UHE tau的有效衰变长度，使其轨迹在能量超过~10¹⁸ eV时长于μ子。
• 利用轻子质量与辐射长度的缩放关系（R ∝ m⁻²）预测：在高能下，tau轨迹长度超过μ子轨迹。
• 将有效tau射程Rτ建模为辐射、衰变和弱相互作用长度的倒数之和：Rτ⁻¹ = R_Rτ⁻¹ + R_τ₀⁻¹ + R_Wτ⁻¹。

实验结果

研究问题

• RQ1 深谷能否通过提升信噪比，有效充当UHE tau中微子的天然探测器？
• RQ2 由于辐射长度随质量缩放，相对论性增强的tau轨迹在何种能量阈值下会超过μ子轨迹长度？
• RQ3 在PeV能量下，km³量级的峡谷探测器每年可预期多少个可观测的UHE tau空气簇射事件？
• RQ4 深谷中的水平空气簇射能否区分tau衰变与μ子的灾难性辐射？
• RQ5 未观测到tau簇射的现象对中微子振荡模型和SuperKamiokande数据有何约束？

主要发现

• 由于相对论性时间膨胀和质量相关的辐射长度缩放，UHE tau轨迹在能量超过~10¹⁸ eV时，长度超过μ子轨迹。
• 在~10¹⁸ eV以上，有效tau射程Rτ超过μ子射程Rμ，当Eτ = 10⁸ GeV时，Rτ可达到约~1033 km（在特定条件下）。
• 在PeV能量下，该模型预测在km³量级的峡谷探测器中，每年可探测到数十个可观测的tau空气簇射事件，例如金伯利钻石矿或内华达州的深峡谷。
• 峡谷几何结构有效抑制了水平μ子背景，为识别空气中tau衰变信号提供了强鉴别能力。
• 该方法为探测UHE中微子提供了一种可行且低成本的替代方案，可替代大规模水下或冰基探测器。
• 若未观测到tau簇射，将对中微子振荡模型和SuperKamiokande数据施加强约束，尤其在EeV能量区域。