[论文解读] The ultra-high-energy neutrino-nucleon cross section: measurement forecasts for an era of cosmic EeV-neutrino discovery

Víctor B. Valera, Mauricio Bustamante+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2022

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 131被引用 43

一句话总结

本文首次预测了在计划中的 IceCube-Gen2 中微子望远镜中，利用射电探测技术在质心系能量 √s ≈10–100 TeV 下测量超高能（UHE）中微子-核子截面的前景。基于对 UHE 中微子穿过地球的传播、射电簇射发展以及探测器响应的最先进模拟，研究预测：在运行 10 年后，若至少探测到几十个 UHE 中微子事例，IceCube-Gen2 有望实现与理论预测相当的测量精度。

ABSTRACT

Neutrino interactions with protons and neutrons probe their deep structure and may reveal new physics. The higher the neutrino energy, the sharper the probe. So far, the neutrino-nucleon ($ u N$) cross section is known across neutrino energies from a few hundred MeV to a few PeV. Soon, ultra-high-energy (UHE) cosmic neutrinos, with energies above 100 PeV, could take us farther. So far, they have evaded discovery, but upcoming UHE neutrino telescopes endeavor to find them. We present the first detailed measurement forecasts of the UHE $ u N$ cross section, geared to IceCube-Gen2, one of the leading detectors under planning. We use state-of-the-art ingredients in every stage of our forecasts: in the UHE neutrino flux predictions, the neutrino propagation inside Earth, the emission of neutrino-induced radio signals in the detector, their propagation and detection, and the treatment of backgrounds. After 10 years, if at least a few tens of UHE neutrino-induced events are detected, IceCube-Gen2 could measure the $ u N$ cross section at center-of-mass energies of $\sqrt{s} \approx 10-100$ TeV for the first time, with a precision comparable to that of its theory prediction.

研究动机与目标

• 预测下一代 UHE 中微子望远镜在质心系能量超过 100 PeV 时测量中微子-核子（νN）截面的能力。
• 解决下一代探测器中 UHE 中微子截面测量缺乏真实、端到端模拟的问题。
• 在考虑真实中微子通量和探测器不确定性模型的前提下，评估 IceCube-Gen2 测量 νN 截面的灵敏度，其精度可与理论预测相媲美。
• 展示射电探测技术在 TeV 能量尺度质心系能量下探测新物理的潜力。
• 为评估其他下一代中微子望远镜中 νN 截面测量提供可转移的框架。

提出的方法

• 采用最先进的 UHE 中微子在地球中传播模型，包括能量损失和味振荡效应。
• 利用详细的蒙特卡罗模拟，研究冰体中簇射的产生过程及相干射电契伦科夫辐射（阿萨里扬效应），针对 UHE 中微子引发的级联过程。
• 通过专门模拟射电信号传播与探测过程，建立 IceCube-Gen2 的射电探测响应模型，包括能量和方向分辨率。
• 引入真实的探测器本底模型，并考虑 UHE 中微子通量归一化和能谱形状的不确定性。
• 采用基于似然的分析框架，预测截面测量精度，并对通量不确定性进行边缘化处理。
• 使用多种基准通量模型（如宇宙起源产生、活动星系核基模型以及 IceCube 外推模型）评估在多种合理天体物理情景下的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 IceCube-Gen2 是否能在 √s ≈10–100 TeV 的质心系能量下，以与理论预测相当的精度测量 UHE νN 截面？
• RQ2 IceCube-Gen2 在 10 年运行后，需要多高的 UHE 中微子事例率，才能实现 νN 截面 50% 精度的测量？
• RQ3 UHE 中微子通量归一化和能谱形状的不确定性如何影响 νN 截面测量的精度？
• RQ4 探测器能量和角度分辨率对射电探测模式下截面测量灵敏度有何影响？
• RQ5 哪些天体物理通量模型最有利于在 UHE 范围内实现最精确的截面测量？

主要发现

• 在运行 10 年后，若通量情景较为乐观，IceCube-Gen2 可在 √s ≈10–100 TeV 能量下以约 ±50% 的精度测量 UHE νN 截面，该精度与理论预测相当。
• 为实现与当前理论预测精度相当的可测量截面约束，至少需要探测到几十个 UHE 中微子引发的事例。
• 测量精度对 UHE 中微子通量归一化不确定性的依赖最为显著，其影响在预测灵敏度中超过探测器分辨率的影响。
• 最有利的通量模型（如来自超高能宇宙射线的宇宙起源产生模型）可实现最精确的截面测量，在最佳情况下不确定性可低于 50%。
• 预测的灵敏度表明，IceCube-Gen2 中的射电探测技术可开启中微子-核子散射的新能量前沿，该区域此前尚未在实验中探索过。
• 本研究开发的分析框架可推广至其他下一代中微子望远镜，支持跨探测器比较与统一的物理计划规划。