[论文解读] Upper Limit on Forward Charm Contribution to Atmospheric Neutrino Flux

F. Halzen, Logan Wille|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 10

一句话总结

本文利用微扰量子色动力学，对前向底夸克产生对大气中微子通量的贡献建立了上限，重点研究了 $qc\to qc$ 和 $gc\to gc$ 过程中非价夸克的碎片化。结果表明，尽管前向底夸克可产生主导TeV能量区间的高能中微子，但其无法解释冰立方观测到的PeV中微子通量或30 TeV的超额信号，因此排除其作为高能宇宙中微子信号来源的可能性。

ABSTRACT

We revisit the calculation of charm particle production in hadron collisions, focusing on the production of charm particles that carry a large fraction of the momentum of the incident proton. In the case of strange particles, such a component is familiar from the abundant production of $K^+Λ$ pairs. Modern collider experiments have no coverage in the very large rapidity region where the forward pair production dominates. While forward charm particles are produced inside the LHC beampipe, they dominate the high-energy atmospheric neutrino flux in underground experiments because long-lived pions and kaons interact before decaying into neutrinos. The fragmentation of the spectator quark in the partonic subprocesses $qc ightarrow qc$ and $gc ightarrow gc$ is responsible for the forward component of charm production in perturbative QCD. We use this phenomenological framework to construct a charm cross section that saturates available accelerator and cosmic ray data, i.e., it represents an upper limit on the normalization of the charm cross section that cannot be reliably calculated because the charm mass is much smaller than the center-of-mass energy. Where the highest energy IceCube observations are concerned, we conclude that the upper limit on the flux of neutrinos from forward charm production may dominate the much-studied central component. It may therefore also represent a significant contribution to the TeV atmospheric neutrino flux but cannot accommodate the PeV flux of high-energy cosmic neutrinos observed by IceCube, or even the excess of events observed in the 30 TeV energy range.

研究动机与目标

• 量化前向底夸克产生对大气中微子通量的最大可能贡献，尤其关注高能区。
• 解决在高能区 $m_c/\sqrt{s}$ 较小时底夸克截面归一化带来的不确定性。
• 评估前向底夸克衰变产物是否可解释冰立方观测到的高能中微子通量，特别是30 TeV的超额信号。
• 评估自屏蔽效应在冰立方南半球和北半球对前向底夸克衰变产生的即时中微子通量的影响。
• 提供与对撞机和大气中微子数据一致的前向底夸克即时中微子通量的唯象学上限。

提出的方法

• 使用Leading-order微扰QCD，对产生高-$x_F$底强子的 partonic 过程 $qc\to qc$ 和 $gc\to gc$ 中非价夸克的碎片化进行建模。
• 构建一个饱和加速器和宇宙射线数据的底夸克截面，作为由于大 $\log(1/x)$ 修正导致的归一化上限。
• 应用底强子的费曼-$x_F$ 分布来计算由此产生的即时中微子通量，假设其衰变为中微子。
• 通过考虑中微子在地球中的吸收，将自屏蔽效应纳入冰立方分析，特别是对向上运动的μ中微子。
• 将模型预测的冰立方2年MESE分析事件率与南北半球的观测数据进行比较，以检验一致性。
• 使用公式 (4)–(6) 中的 partonic 截面，结合动力学阈值和对数项，对高能产生过程进行建模。

实验结果

研究问题

• RQ1 在强子碰撞中，前向底夸克产生是否能解释冰立方观测到的高能大气中微子通量？
• RQ2 与加速器和大气中微子数据一致的前向底夸克分量最大可能归一化值是多少？
• RQ3 前向底夸克衰变产生的即时中微子通量是否能解释冰立方低能分析中观测到的30 TeV超额信号？
• RQ4 前向底夸克贡献能否解释冰立方观测到的PeV量级宇宙中微子通量？
• RQ5 自屏蔽效应如何影响冰立方南半球和北半球对前向底夸克中微子的探测能力？

主要发现

• 前向底夸克对大气中微子通量的贡献上限主要由 $qc\to qc$ 和 $gc\to gc$ 过程中非价夸克碎片化主导。
• 前向底夸克分量对TeV能量区间的中微子通量有显著贡献，但无法解释冰立方观测到的最高能事件。
• 在考虑自屏蔽效应后，冰立方2年MESE分析中前向底夸克中微子的预测事件率在南半球与观测数据仍存在显著偏差。
• 该模型的上限通量无法容纳冰立方低能分析中观测到的30 TeV超额信号，表明其无法解释该超额。
• 前向底夸克产生的即时中微子通量过于平缓，无法再现高能区观测到的宇宙中微子谱的陡化现象。
• 该分析确认，即使在最大归一化条件下，观测到的PeV中微子通量也无法由前向底夸克衰变产生的即时中微子解释。