[论文解读] Probing high-energy interactions of atmospheric and astrophysical neutrinos

S. R. Klein|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2019

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本文利用冰立方（IceCube）、KM3NeT 及未来设施如 IceCube-Gen2 和 RNO 等大规模中微子观测站，研究大气与天体物理背景下的高能中微子相互作用。结果表明，这些探测器可将中微子截面与非弹性度的测量扩展至 10^20 eV 的能量范围——远超加速器能力——从而对标准模型在低 Bjorken-x 下的物理以及超出标准模型的现象展现出独特敏感性。

ABSTRACT

Astrophysical and atmospheric neutrinos are important probes of the powerful accelerators that produce cosmic-rays with EeV energies. Understanding these accelerators is a key goal of neutrino observatories, along with searches for neutrinos from supernovae, from dark matter annihilation, and other astrophysics topics. Here, we discuss how neutrino observatories like IceCube and future facilities like KM3NeT and IceCube-Gen2 can study the properties of high-energy (above 1 TeV) neutrino interactions. This is far higher than is accessible at man-made accelerators, where the highest energy neutrino beam reached only 500 GeV. In contrast, neutrino observatories have observed events with energies above 5 PeV - 10,000 times higher in energy - and future large observatories may probe neutrinos with energies up to $10^{20}$ eV. These data have implications for both Standard Model measurements, such as of low Bjorken$-x$ parton distributions and gluon shadowing, and also for searches for beyond Standard Model physics. This chapter will review the existing techniques and results, and discuss future prospects.

研究动机与目标

• 研究来自大气与天体物理源等天然来源的高能中微子相互作用（能量高于 1 TeV），其能量可达加速器束流的 10,000 倍。
• 解决在极高能区因探测器颗粒度有限与束流信息不足，导致测量中微子截面与非弹性度的挑战。
• 评估无线电探测技术（如 RNO、ARIA、GRAND）在能量低于 10^17 eV 时扩展探测能量范围并实现新物理测量的潜力。
• 评估未来观测站对质子中低 Bjorken-x 部分子分布与胶子遮蔽效应的敏感性。
• 探索通过 LHC 无法触及的极高能区中微子截面与非弹性度测量，探测超出标准模型物理的可行性。

提出的方法

• 利用冰立方与 KM3NeT 等中微子望远镜，通过次级粒子产生的切伦科夫辐射探测高能中微子相互作用。
• 分析事件拓扑结构——如由 νμ/ν̄μ 沃尔科夫型中性流相互作用产生的轨迹，以及由 νe/ν̄e 中性流与带电流相互作用产生的簇射——以推断中微子能量与味。
• 利用非弹性度分布（传递给靶核的能量分数）作为探测相互作用动力学及潜在新物理的探针。
• 利用 Glashow 共振（ν̄e e → W−）在约 5 PeV 能量处识别反中微子事件，提升中微子味分离能力。
• 采用相控阵触发与大规模天线阵列（如 RNO、ARIA、GRAND）的无线电探测技术，探测冰或岩层中粒子簇射产生的相干无线电辐射。
• 利用 Landau-Pomeranchuk-Migdal（LPM）效应区分电磁子簇射与强子簇射，通过簇射结构实现非弹性度测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 中微子望远镜如何将中微子截面测量扩展至 1 TeV 以上能量？在加速器数据不可用的区域，这一测量如何实现？
• RQ2 在高能区，非弹性度分布在多大程度上可探测质子中低 Bjorken-x 部分子分布与胶子遮蔽效应？
• RQ3 采用相控阵触发的无线电探测技术能否实现足够的能量分辨率与阈值（低至 10^16 eV），以测量中微子截面与非弹性度？
• RQ4 未来观测站（如 IceCube-Gen2 与 KM3NeT 2.0）对超出标准模型物理的敏感性如何，其探测能量尺度是否超越 LHC？
• RQ5 LPM 效应是否可被用于分离大尺度、高颗粒度无线电阵列中的电磁子簇射与强子簇射，从而实现对最高能量区非弹性度的改进测量？

主要发现

• 冰立方等中微子观测站已探测到能量超过 5 PeV 的事件，使可探测能量范围比加速器实验扩展了 10,000 倍。
• 约 5 PeV 能量处的 Glashow 共振为识别 ν̄e 事件与改善反中微子分离提供了独特工具，但至今仅观测到一到两个此类事件。
• 未来无线电探测阵列（如 RNO 与 ARIA）旨在探测能量低至 ~10^16 eV 的天体中微子，其中 RNO 采用相控阵触发以提升灵敏度。
• LPM 效应或可使大尺度、高颗粒度无线电阵列实现电磁子簇射与强子簇射的分离，为最高能量区非弹性度测量提供路径。
• IceCube-Gen2 与 KM3NeT 2.0 预计可将非弹性度测量扩展至至少 1 PeV，从而实现对中等质量标度假设新物理的检验。
• 未来拥有 300,000 个天线的 GRAND 类阵列或可获得足够统计量，实现中微子截面测量精度达约 20%，从而探测 LHC 能量尺度以上（>10^16 GeV）的新物理。