[论文解读] Prompt neutrinos from atmospheric c-cbar and b-bbar production and the gluon at very small x

A. D. Martin, M. G. Ryskin+1 more|CERN Bulletin|Feb 17, 2003

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

该论文通过改进质子胶子分布函数在极小x区域的外推，提升了高能宇宙射线相互作用下原初大气中微子通量的预测精度，将底夸克与粲夸克产生截面的不确定性降低至三倍以内。结合微扰QCD的下一阶修正与GBW模型中的饱和效应，作者提供了在质子-空气碰撞中粲夸克产生的一种稳健、参数化的预测，显著增强了超高能中微子望远镜中微子通量预测的可靠性。

ABSTRACT

We improve the accuracy of the extrapolation of the gluon distribution of the proton to very small x, and show that the charm production cross section, needed to calculate the cosmic ray-induced `atmospheric' flux of ultrahigh energy prompt muon and tau neutrinos, may be predicted within perturbative QCD to within about a factor of three. We follow the sequence of interactions and decays in order to calculate the neutrino fluxes as a function of energy up to 10^9 GeV. We also compute the prompt neutrino tau flux from b-bbar production, hadronization and decay. New cosmic sources of neutrinos will be indicated if more prompt neutrinos are observed than predicted. If fewer neutrinos are observed than predicted, then constraints will be imposed on the nuclear composition of cosmic rays. The advantages of studying tau neutrinos are emphasized. We provide a simple parameterization of the prediction for the inclusive cross section for c quark production in high energy proton--air collisions.

研究动机与目标

• 通过改进质子胶子分布函数在极小x区域的外推，降低高能宇宙射线原初大气中微子通量预测的不确定性。
• 评估不同理论模型（DGLAP、BFKL与基于饱和的模型）对超高能下粲夸克与底夸克产生截面的影响。
• 为质子-空气碰撞中包含的粲夸克产生提供一种可靠、参数化的预测，适用于10^4–10^11 GeV能量范围。
• 量化碎片化、强子衰减以及粲重子（Λc）的x分布对最终中微子通量预测的不确定性影响。
• 确立若观测到的原初中微子通量低于预测值，将限制宇宙射线核组成；而高于预期的通量则表明存在新的天体物理源。

提出的方法

• 使用三种模型外推极小x区域的胶子分布：带双领先对数（DLL）重求和的DGLAP模型、统一的DGLAP/BFKL模型，以及包含饱和效应的基于饱和的GBW模型。
• 采用下一阶微扰QCD（NLO）并引入约2.3的K因子描述粲夸克产生，校准至约250 GeV的固定靶实验数据。
• 完整建模级联过程：pp → c̄c → D介子 → D → τ → ντ，以及b̄b → B介子 → B → τ → ντ，包含碎片化与衰变分支比。
• 对质子-空气碰撞中包含的粲夸克产生截面进行参数化：x dσ/dx = A x^β (1−x^{1.2})^n，其中A、β与n随能量变化。
• 纳入Λc超子x分布（当x_c > 0.1时使用x_Λ = ½(1 + x_c)）、大气中D介子的衰减效应以及碎片化函数的不确定性。
• 使用GBW模型并辅以保守误差带，估算原初中微子通量的总不确定性，结果以最终通量预测图中的阴影区域表示。

实验结果

研究问题

• RQ1 在能量高达10^9 GeV时，微扰QCD能否准确预测来自c̄c与b̄b产生的原初中微子通量？
• RQ2 预测高能原初中微子通量的主要不确定性来源是什么？如何降低该不确定性？
• RQ3 小x区域胶子分布中的饱和效应如何影响粲夸克产生与后续中微子通量的预测？
• RQ4 Λc超子对原初νμ通量的贡献程度如何？其贡献如何依赖于粲夸克的x分布？
• RQ5 若观测到的原初中微子通量与预测值存在差异，将如何限制宇宙射线的核组成？

主要发现

• 由于采用GBW饱和模型并辅以保守误差带，对c̄c产生导致的原初中微子通量预测不确定性已降低至三倍以内，主要得益于小x区域胶子外推的改进。
• 在胶子分布中引入饱和效应显著减小了不同模型在预测结果间的差异，尤其在最高能量区域（E > 10^8 GeV）更为明显。
• 由于Λc超子的x值高于D介子，其对原初νμ通量的贡献从10^4 GeV时的约10%增加至10^9 GeV时的约40%。
• 对质子-空气碰撞中粲夸克产生的参数化（x dσ/dx = A x^β (1−x^{1.2})^n）在10^4至10^11 GeV能量范围内，对0.05 < x < 0.6区间内的总截面再现精度达到±5%。
• 对于来自粲夸克的ντ通量，主要不确定性来源于Ds → τντ的分支比与产生比；而b̄b → ντ通量不确定性较小，因其衰变模式更均匀。
• 若观测到的原初中微子通量低于预测值，将限制宇宙射线的核组成，因为预测假设了以质子为主的组成。