[论文解读] Supersymmetric and Kaluza-Klein Particles Multiple Scattering in the Earth

I. F. M. Albuquerque, S. R. Klein|arXiv (Cornell University)|May 19, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 12被引用 9

一句话总结

本文研究了地球非均匀内部的多次散射如何增强次轻量超对称（NLSP）与卡鲁扎-克莱因（NLKP）粒子对在抵达中微子望远镜前的分离。通过采用具有辐射长度和能量损失计算的分层地球模型，研究发现，多次散射使分离距离超过100米的可探测NLKP对数量最多提升46%，具体取决于质量，垂直向上传播的NLSP对则提升24%。

ABSTRACT

Neutrino telescopes with cubic kilometer volume have the potential to discover new particles. Among them are next to lightest supersymmetric (NLSPs) and next to lightest Kaluza-Klein (NLKPs) particles. Two NLSPs or NLKPs will transverse the detector simultaneously producing parallel charged tracks. The track separation inside the detector can be a few hundred meters. As these particles might propagate a few thousand kilometers before reaching the detector, multiple scattering could enhance the pair separation at the detector. We find that the multiple scattering will alter the separation distribution enough to increase the number of NLKP pairs separated by more than 100 meters (a reasonable experimental cut) by up to 46% depending on the NLKP mass. Vertical upcoming NLSPs will have their separation increased by 24% due to multiple scattering.

研究动机与目标

• 评估多次散射对NLSP与NLKP对在地球中传播时分离的影响。
• 量化多次散射对这些粒子在立方千米级中微子望远镜中可探测性的影响。
• 确定多次散射是否通过使轨迹分离超过100米的探测阈值，从而增强信背比。
• 比较多次散射对NLSP与NLKP的影响，特别是与天顶角和粒子质量的关系。

提出的方法

• 将地球建模为十个具有不同密度、原子序数和辐射长度的非均匀层。
• 使用高斯多次散射公式，其中角度偏离量 θ₀ = 13.6 MeV/c / (p * r * L / X₀)，适用于相对论性带电粒子。
• 对每一层计算横向偏离量 di = √2 * D * θ₀，其中 D 为从层中点到探测器表面的距离。
• 将所有层的偏离量按平方和开方的方式相加，以计算总散射引起的分离距离。
• 通过平方和开方的方式将散射引起的分离与初始张角分离相加。
• 按照先前研究[2, 3]中的方法对产生点和能量进行积分，假设能量损失平滑。

实验结果

研究问题

• RQ1 地球分层结构中的多次散射如何影响中微子望远镜中NLKP对的轨迹分离？
• RQ2 多次散射在多大程度上增强了分离距离超过100米的NLKP对数量？
• RQ3 多次散射的增强效果如何随NLKP质量与天顶角变化？
• RQ4 多次散射对NLSP与NLKP的影响有何相对差异，特别是对垂直与水平轨迹而言？
• RQ5 与二μ子事例背景相比，多次散射是否显著改变NLSP与NLKP的可探测性？

主要发现

• 对于300 GeV的NLKP对，多次散射使分离距离超过100米的对数提升46%，600 GeV和900 GeV的NLKP对分别提升30%和21%。
• 对于NLSP，多次散射使分离距离超过100米的对数提升3%，垂直向上传播的NLSP对则提升24%。
• 对近垂直NLSP而言，多次散射的增强效果最为显著，可使可探测对数提升24%，而近水平事件仅提升1.8%。
• 由于NLKPs质量更高、路径更长，其散射力臂更长，因此多次散射的影响强于NLSP。
• 与多次散射相比，磁场对异号电荷NLSP/NLKP对的影响可忽略不计。
• 对于近垂直事件，多次散射使300 GeV NLKP对中分离距离超过100米的对数提升67%，而近水平事件仅提升16%。