[论文解读] Probing the Cosmic Ray "Knee" and Very High Energy Prompt Muon and Neutrino fluxes via Underground Muons

Raj Gandhi, Sukanta Panda|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2005

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 5

一句话总结

本文提出利用大型地下μ子探测器作为成对计数器，探测极高能μ子（1–1000 TeV），对应地表μ子能量为2–5000 TeV，原初宇宙射线能量为20 TeV至50,000 TeV。研究证明了此类μ子观测的可行性，有助于更深入理解原初高能中微子通量及宇宙射线能谱中‘膝’结构的起源。

ABSTRACT

We calculate event rate and demonstrate the observational feasibility of very high energy muons (1 TeV-1000 TeV) in a large mass underground detector operating as a pair-meter. This energy range corresponds to surface muon energies of $\\sim$(2 TeV - 5000 TeV) and primary cosmic ray energies of $\\sim$ (20 TeV - 5 $\ imes 10^4$ TeV). Such measurements would significantly assist in an improved understanding of the prompt contribution to $\ u_e, \ u_{\\mu}$ and $\\mu$ fluxes in present and futute ultra-high energy neutrino detectors. In addition, they would shed light on the origin of the observed 'knee' in the cosmic ray spectrum.

研究动机与目标

• 评估在大型地下探测器中探测极高能μ子（1–1000 TeV）的可行性。
• 将地下μ子测量结果与高能中微子通量（νₑ, νμ, ντ）中的原初贡献关联起来。
• 利用μ子数据探究宇宙射线能谱中约10^15–10^16 eV处‘膝’结构的起源。
• 通过约束原初中微子背景，为未来超高能中微子探测器提供支持。

提出的方法

• 建模大型地下探测器作为成对计数器时的μ子事例率。
• 通过大气级联过程计算原初宇宙射线产生的μ子能量谱。
• 估算能量范围为1 TeV至1000 TeV的μ子在地下深度处的通量。
• 利用能量损失与传播模型，将地下μ子率与地表μ子及原初宇宙射线能量关联。
• 利用探测器质量和μ子能量阈值确定成对计数器的灵敏度。
• 应用原初中微子产生的理论框架，从μ子数据推断通量贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在大型地下探测器中以足够灵敏度观测到极高能μ子（1–1000 TeV）？
• RQ2 在1–1000 TeV能量范围内，原初过程对高能中微子通量（νₑ, νμ, ντ）的贡献是多少？
• RQ3 μ子测量如何约束宇宙射线能谱中约10^15–10^16 eV处‘膝’结构的起源？
• RQ4 地下μ子数据在多大程度上可改善未来超高能中微子探测器的本底建模？

主要发现

• 本研究证明了利用大型地下探测器探测1–1000 TeV能量范围内极高能μ子的观测可行性。
• 该能量范围内的μ子对应于地表μ子能量2–5000 TeV，以及原初宇宙射线能量20 TeV至5×10⁴ TeV。
• 此类测量可显著改善对超高能中微子探测器中原初中微子通量的约束。
• 该方法为通过μ子间接测量手段探究宇宙射线‘膝’结构的起源提供了途径。
• 成对计数器技术可实现对极高能区段μ子的灵敏探测，从而增强对中微子本底的表征能力。
• 结果支持将地下μ子探测器作为高能天体物理学与宇宙射线研究的互补工具。