[论文解读] Study of High pT Muons in IceCube

L. Gerhardt, S. R. Klein|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 4被引用 3

一句话总结

本文提出一种方法，利用冰立方中微子望远镜的冰体与表面阵列数据组合，探测高横向动量（pT）μ子，从而测量μ子pT谱以研究宇宙射线成分。通过重建与簇射核心距离超过150 m的μ子轨迹并应用选择标准，该研究识别出候选高pT μ子事例，最小可分辨pT为6 GeV/c，为超越传统模型的宇宙射线成分提供了新颖的pQCD敏感探针。

ABSTRACT

Muons with a high transverse momentum (p_T) are produced in cosmic ray air showers via semileptonic decay of heavy quarks and the decay of high p_T kaons and pions. These high p_T muons have a large lateral separation from the shower core muon bundle. IceCube is well suited for the detection of high p_T muons. The surface shower array can determine the energy, core location and direction of the cosmic ray air shower while the in-ice array can reconstruct the energy and direction of the high p_T muon. This makes it possible to measure the decoherence function (lateral separation spectrum) at distances greater than 150 meters. The muon p_T can be determined from the muon energy (measured by dE/dx) and the lateral separation. The high p_T muon spectrum may also be calculated in a perturbative QCD framework; this spectrum is sensitive to the cosmic-ray composition.

研究动机与目标

• 开发一种利用IceCube双重视冰与表面（IceTop）阵列识别宇宙射线簇射中高pT μ子的方法。
• 测量距离簇射核心>150 m处高pT μ子的横向分离谱（去相干函数）。
• 通过能量（dE/dx）与横向分离确定μ子横动量（pT），实现基于pQCD的成分分析。
• 通过拓扑与时间选择标准，抑制单次与双次重合宇宙射线簇射的背景。
• 探索水平事例作为高pT μ子探测的低背景通道。

提出的方法

• 利用IceTop表面阵列重建簇射核心位置、方向与能量，核心分辨率约10 m，角度精度约1.5°。
• 利用冰体内的IceCube阵列重建高能μ子轨迹，角分辨率小于1度，并测量dE/dx以获取能量。
• 使用公式 pT = (dEμ/hc) 计算μ子pT，其中d为横向分离，Eμ为μ子能量，h为平均相互作用高度（25 km）。
• 采用双轨迹重建算法，识别与簇射核心距离≥150 m的高pT μ子事件，超过串间间距。
• 实施选择标准：要求轨迹平行且时间差在1 μs以内，以抑制双次重合宇宙射线背景。
• 对10%的数据进行人工扫描，筛选水平事例（与水平方向夹角在30°以内），以寻找双轨迹拓扑结构且背景最小的事件。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用横向分离与能量测量，在IceCube中从主μ子簇射中分辨出高pT μ子（pT > 6 GeV/c）？
• RQ2 在横向分离>150 m时，高pT μ子的去相干函数（横向分离谱）能被测量到何种程度？
• RQ3 拓扑与时间切片在抑制双次重合宇宙射线背景方面，对高pT μ子识别的效率如何？
• RQ4 具有平行双轨迹的水平事例能否提供一个低背景的高pT μ子探测通道？
• RQ5 高pT μ子谱对超高能宇宙射线成分的敏感度如何？

主要发现

• 基于150 m横向分离阈值与1 TeV μ子能量，IceCube中可分辨的最小pT为6 GeV/c。
• 双轨迹重建算法成功识别出与簇射核心横向距离达400 m的候选高pT μ子事例。
• 在对IceCube数据10%的人工扫描后，发现若干候选高pT μ子事例，其中包括一例两轨迹夹角5.6°、时间分离400 ns的事件。
• 水平事例搜索发现了拓扑结构与高pT μ子一致的候选双轨迹事件，表明其作为可行低背景通道的潜力。
• 双次重合宇宙射线簇射背景估计与预期高pT μ子事例数量相当，表明需通过完整模拟以实现区分。
• 该方法可实现基于pQCD的宇宙射线成分探针，尤其对重核素成分具有显著敏感性，通过高pT μ子谱实现。