[论文解读] Measurement of the atmospheric muon charge ratio with the OPERA detector

OPERA Collaboration, N. Yu. Agafonova+183 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2010

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用 5

一句话总结

本文利用位于格兰萨索地下实验室的OPERA探测器，对大气μ子电荷比 $ R_{\mu} = N_{\mu^+}/N_{\mu^-} $ 进行了高精度测量。在113.4天的有效运行时间内分析了403,069个大气μ子，通过蒙特卡罗模拟校正了电荷误判效应，测得π介子和K介子的电荷比分别为 $ R_\pi = 1.229 \pm 0.001 $ 和 $ R_K = 2.12 \pm 0.03 $，为TeV能量区间的宇宙射线簇射模型提供了强有力的约束。

ABSTRACT

The OPERA detector at the Gran Sasso underground laboratory (LNGS) was used to measure the atmospheric muon charge ratio in the TeV energy region. We analyzed 403069 atmospheric muons corresponding to 113.4 days of livetime during the 2008 CNGS run. We computed separately the muon charge ratio for single and for multiple muon events in order to select different energy regions of the primary cosmic ray spectrum and to test the charge ratio dependence on the primary composition. The measured charge ratio values were corrected taking into account the charge-misidentification errors. Data have also been grouped in five bins of the "vertical surface energy". A fit to a simplified model of muon production in the atmosphere allowed the determination of the pion and kaon charge ratios weighted by the cosmic ray energy spectrum.

研究动机与目标

• 利用位于格兰萨索地下实验室的OPERA探测器，在TeV能量范围内测量大气μ子电荷比 $ R_{\mu} $。
• 通过蒙特卡罗模拟校正探测器引起的μ子电荷误判误差。
• 从测得的 $ R_{\mu} $ 推导出按宇宙射线能谱加权的π介子和K介子电荷比 $ R_\pi $ 和 $ R_K $。
• 研究高能区可能存在的来自粲粒子衰变的即时μ子的贡献。
• 通过分别分析单μ子和多μ子事例，评估该测量对原初宇宙射线成分的敏感性。

提出的方法

• OPERA探测器在2008年CNGS运行期间，于113.4天内收集了403,069个大气μ子，数据按'垂直表面能量' $ \mathcal{E}_{\mu}\cos\theta $ 分组。
• 分别对单μ子和多μ子事例计算μ子电荷比 $ R_{\mu} $，以探测原初宇宙射线谱的不同区域。
• 通过基于蒙特卡罗模拟的矩阵去卷积方法校正电荷误判误差，假设误判率对称，即 $ \eta^{+-} = \eta^{-+} = \eta $。
• 应用去卷积公式 $ R = \frac{(1-\eta)\hat{R} - \eta}{-\eta\hat{R} + (1-\eta)} $，从重建的 $ \hat{R} $ 得到真实的 $ R_{\mu} $。
• 使用公式 $ \delta R = \frac{\sqrt{(1-2\eta)^2(\delta\hat{R})^2 + (\hat{R}^2 - 1)^2(\delta\eta)^2}}{[\eta\hat{R} - (1-\eta)]^2} $ 传播误差，未引入正则化以保留统计涨落。
• 对大气μ子产生过程的简化模型进行拟合，以提取 $ R_\pi $ 和 $ R_K $，即使包含即时μ子贡献，结果亦无显著变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 OPERA探测器在TeV能量范围内测得的大气μ子电荷比 $ R_{\mu} $ 的值是多少？
• RQ2 探测器中的电荷误判效应如何影响测得的μ子电荷比？又该如何校正？
• RQ3 从μ子数据推断出的、按宇宙射线能谱加权的π介子和K介子电荷比 $ R_\pi $ 和 $ R_K $ 分别是多少？
• RQ4 在μ子谱的高能区是否存在来自即时μ子（如粲介子衰变）的非可忽略贡献的证据？
• RQ5 通过分别选择单μ子与多μ子事例，测得的 $ R_{\mu} $ 是否依赖于原初宇宙射线的成分？

主要发现

• 通过蒙特卡罗模拟对测得的μ子电荷比 $ R_{\mu} $ 进行了电荷误判校正，其中 $ \eta^{+-} = \eta^{-+} = \eta $，确保探测器响应对称。
• 测得的π介子电荷比为 $ R_\pi = Z_{N\pi^+}/Z_{N\pi^-} = 1.229 \pm 0.001 $，与π介子衰变动力学预期一致。
• 测得的K介子电荷比为 $ R_K = Z_{NK^+}/Z_{NK^-} = 2.12 \pm 0.03 $，表明K介子产生存在显著不对称性。
• 在拟合中引入即时μ子成分后，$ R_\pi $ 和 $ R_K $ 的值未发生显著变化，表明在测量能量范围内无显著贡献。
• 该测量位于粲粒子衰变可能开始贡献的区域，凸显了未来需更大统计量或更深探测器以探测 $ \mathcal{E}_{\mu}\cos\theta^* \gtrsim 10 $ TeV 的需求。
• OPERA科学计划末期收集的数据将有助于在高能区实现更精确的测量，尤其可用于检验即时μ子的贡献。