文摘

大气中微子产生在强子衰变产物淋浴的宇宙射线与原子核碰撞所产生的大气。电子中微子和缪子中微子产生主要由指控π介子μ介子衰变链的电子。大气中微子实验观测天顶角和依赖资源赤字μ中微子事件。发现中微子振荡缪子中微子和τ中微子之间解释这些数据。论述了大气中微子实验和与这些中微子。中微子振荡的研究

1。介绍

中微子产生在不同的地方如太阳,地球大气层,在大质量恒星的核心崩溃。此外中微子产生在核电站和高能质子束。这些中微子研究各种中微子实验。这些实验被称为大气中微子实验之一。这些实验研究宇宙射线产生的中微子大气中相互作用。

已经认识到小但有限的中微子质量可以理解自然的跷跷板机制(1- - - - - -3)通过引入超重型中性粒子。因此,人们普遍认为中微子质量的试验研究和混合角是为数不多的几个方面探讨物理学标准模型之外。

最敏感的方法观察小中微子质量是研究中微子振荡(味道4,5]。如果中微子有质量有限,每个风味特征状态(例如,)可以表达的质态下的组合(,,)。之间的关系质量态下(,,)和风味态下(,,可以表达的 在哪里是混合矩阵。混合矩阵表达的是 在哪里和代表和,分别。

为简单起见,我们讨论两种味道中微子振荡。一个中微子产生的概率味道状态观察到在一个味道行驶一段距离后通过真空 在哪里中微子的能量,是味道态下和大众之间的混合角态下,然后呢的不同质量的平方是中微子质量态下(≡ )。

它可以立即注意到,为了研究中微子质量小,必须研究中微子振荡的中微子飞行长度或低能量的中微子束。大气中微子是独一无二的,因为他们旅行很长的距离12800公里,也就是说,地球的直径。这些中微子是1 GeV的典型的能源。因此,一个希望可以学习与大气中微子中微子振荡是~或更大。

上述2-flavor振荡公式推广到three-flavor振荡。在three-flavor振荡框架中,中微子振荡混合参数化三个角度(,,),三个质量的平方差异(,,;在三个的,只有两个是独立的),和一个CP阶段()。稍后我们将讨论和最相关的当前大气中微子实验。和是最相关的太阳能和长基线反应堆中微子实验。技术是最近由基于硬件加速的长基线和反应堆中微子振荡实验。

由于层次结构,和,它大约是正确的假设two-flavor振荡许多现有的中微子振荡的分析数据。因此,在本文中,首先,我们讨论了大气中微子数据two-flavor中微子振荡的假设两个明显不同的年代。稍后我们将讨论扩展到全three-flavor振荡。

2。大气中微子流量

的研究振荡意味着计算数据与理论预测的比较有和没有振荡的存在。

宇宙射线是高能粒子抵达地球的宇宙。地球的宇宙射线通量测量实验。GeV /核子能源地区,这些宇宙射线粒子主要是质子,大约5%是氦原子核,和更小的一部分是较重的原子核。这些粒子的能谱延伸到非常高的能量,虽然这些粒子的通量下降迅速增加能量。这些粒子,一旦进入地球的大气层,与高空大气中核交互。通常,在这些高能宇宙射线与空气核的相互作用,许多π介子,大量减少介子,生产。这些介子衰变其他粒子:例如,一个μ介子衰变()和一个。产生的μ介子()也不稳定,衰变正电子(),一个和一个。电荷共轭衰变链发生: 通过这种方式,中微子产生当一个宇宙射线粒子进入到大气中。较小的贡献来自于k中介子衰变。图1大气中显示示意图中微子的生产。这些中微子被称为大气中微子。

方程(2。1)表明的通量,的和反中微子是严格相关的,特别是,如果所有的μ介子衰变, 在哪里代表了中微子通量。在能源范围没有一些μ介子衰变在到达地面之前,也就是说,上面几个GeV中微子能量,。然而,即使在这种能量范围,流量比率在仍在计算准确,因为分数的μ介子衰变在到达地面之前可以准确预估。

方程(2。1)也表示 因为这两个和衰变链产生一个和一个。最后,(2。1)表明,()产生的()衰变链。因此,在通量比约等于在生产的比例。的生产比例可以通过测量估计通量比,准确地测量。这些因素表明,一般来说,在和在通量的比例也预测准确。

另一个非常健壮的大气中微子通量计算的结果预测,在缺乏中微子振荡的情况下,中微子流量是一个非常好的近似上下按钮对称每中微子类型: 在哪里中微子的天顶角方向。方程(2。4)可以推导出几何参数(参见图2从各向同性的假设),宇宙射线通量,和地球的球形。然而,应该注意的是,上下按钮对称不确切的中微子能量范围1 GeV或更少,由于地磁场的影响,稍后讨论。

主宇宙射线通量与能量迅速减少,大约在10 GeV TeV能源地区。因此,计算微中子通量迅速减少和增加能量。图3显示了计算大气中微子能谱Kamioka和Soudan-2网站(6]。

的困难和不确定性的计算大气中微子通量高、低能量之间的不同。为低能量的中微子的能量约GeV,宇宙射线的主要通量组件相对是众所周知的。另一方面,低能量的宇宙射线通量小于10 GeV由太阳活动调制,通过刚性(受到地磁场的影响≡动量/费用)截止。截止两极附近较低,因此探测器的低能量通量较高比赤道附近两极附近。注意,星际空间的宇宙射线通量是一个非常好的近似恒定的时间和各向同性的方向。

中微子的能量高于100 GeV,初级宇宙线能量高于1000 GeV相关。在这些能量,太阳活动和刚性截止不影响宇宙射线,但是更高的能源主要的测量宇宙射线通量不太准确。此外,这种能量范围的比例生产的微中子通量计算的一个非常重要的因素。然而,生产截面不知道准确。

近年来,通量计算已经大幅提高。从最近的工作成果如下所述(7,8]。图4显示了估计的不确定性绝对大气中微子流量(8]。实际上,通量的计算可以通过测量校准主宇宙射线和二级子通量。因此,在1到10 GeV的能量范围,估计的不确定性还不到10%。低于或高于这个能量范围,下面的不确定性不确定性变大:1 GeV较大是由于有限的可用数据的二级子通量GeV能量范围在气球的高度。由于大气中的μ介子的能量损失,μ介子通量测量地面上不能帮助在这个能量范围。在上面的能量范围10 GeV,不确定性较大的主要是由于μ介子通量的增加不确定性和不确定性生产。

图5显示了计算在,在和在通量比率作为中微子的能量函数,综合立体角。这些比率基本上是独立于主宇宙射线光谱和计算的细节。能源地区的不到10 GeV,大多数中微子产生的π介子衰变链和预期的不确定性在比例约为2 - 3%。更高的能源地区(> 10 GeV)的贡献衰变中微子生产更为重要。在那里,更多取决于比例生产截面和比预计更大的不确定性。我们也注意到在通量比同意下面的计算中一些GeV中微子的能量。上面这个能量范围,不确定性会略大。

图6显示了大气中微子通量的天顶角依赖几个Kamioka中微子的能量。在低能量下的通量downward-going中微子低于upward-going中微子。这是由于截止初级宇宙射线的地磁场(刚性截止)。中微子的能量高于几GeV的通量计算基本上是上下按钮对称的,因为主要的粒子比刚性截止更有活力。增强低能量通量接近地平线的中微子是一个功能完整的三维通量计算的特征(9,10]。三维效应低于约GeV只有重要。然而,水平的提高不能轻子天顶距的分布,由于中微子和轻子之间的相对贫穷的角关联GeV低于1。

轻子的不确定性(不是中微子)上下按钮和对立比率可以通过比较在各种通量模型预测的比率估计蒙特卡罗模拟。这些不确定性通常依赖于能源和中微子的味道。上下按钮事件的不确定性比约1%能源地区低于1 GeV和小于1 GeV高出1%。的不确定性的主要来源-在GeV比率水平提高通量的大小由于三维效果;不确定性估计百分之几或更少。在更高的能量区域,向上贯穿μ介子是相关的,最大的不确定性的来源是对立的比例生产截面,对立的不确定性估计有3%11]。

最后,对于可观测事件的预测率,必须包括一个描述中微子截面的能量范围的相关性。典型大气中微子实验中,需要考虑的能量范围大约从0.1 GeV超过1伏特的电压。我们称中微子交互的细节在12]。

3所示。短暂的历史

大气中微子实验始于1960年代。Kolar中进行了一个实验:在印度金矿区(13]。另一个实验进行了在南非东兰德自营矿山(14]。在这些实验中,中微子交互发生在周围的岩石一个中微子探测器测量。自实验进行了极其地下深处(大约8000米水当量(m.w.e)),带电粒子穿过大气中微子探测器近水平基本上是来源。也,因为它需要的粒子穿透岩石和探测器,这些中微子事件应该被指控电流(CC)交互。

在1980年代初,第一次大规模的地下探测器(订单1 kton)构造,主要是为了寻找质子衰变作为早期预测的大统一理论(15,16]。最严重的背景质子衰变搜索是大气中微子事件,大约的速度事件/ kt /年。因此,这些实验被要求研究大气中微子事件为了了解质子衰变的背景。这些实验是Kamiokande之一。这是一个3-kton水切伦科夫探测器。Kamiokande测量单Cherenkov-ring的数量例如,例如事件,大多是CC和交互,分别。在1988年,他们发现的数量——事件有一个巨大的赤字与蒙特卡罗预测相比,而的数量——事件已与预测,在协议内的统计和系统误差(17]。正如已经讨论过的,味道比大气中微子通量,计算准确。这可以解释为CC的赤字事件。一致的结果报告从1991年的国际海事局水切伦科夫实验(18和1997年从Soudan-2实验19),以及从1992年更新Kamiokande数据的分析(20.]。

另一个重要的提示对大气中微子的理解问题是在1990年代中期21]。天顶角multi-GeV完全包含事件的分布和部分包含在Kamiokande事件进行了研究。地球表面附近的探测器的中微子飞行距离,因此中微子振荡的概率,是一个函数的中微子的天顶角方向。垂直downward-going中微子旅行约15公里,垂直upward-going中微子探测器交互旅行前约12800公里。Kamiokande数据显示,财政赤字的——事件取决于天顶距,因此中微子航班上的长度。然而,由于相对贫穷的事件统计,统计意义的上下按钮不对称Kamiokande数据是2.9个标准差,因此没有确凿的数据。

1996年,一个更大的探测器,超级神冈探测器,开始数据。超级神冈探测器(超级)是一个50-kton水切伦科夫探测器与大约11000年至1900年期间,内部和外部探测器pmt。图7显示了超级神冈探测器探测器的示意图。1998年,超级神冈实验,大大大比之前的实验数据统计,得出大气中微子中微子振荡(数据给证据22,23]。数据明显显示upward-going的赤字事件multi-GeV能量范围,以及小例如/——事件比率比预计,upward-going停止/贯穿μ介子比小于预期,和天顶角的变形分布的向上的彻头彻尾的μ介子。此外,宏观24]和Soudan-2 [25)实验观察到类似的分布与upward-goingμ介子的实验分析数据和所包含的中微子数据,分别。自那时以来,大气中微子实验已经做出重大贡献我们对中微子的质量和混合角度的理解。

4所示。现在大气中微子实验

大气中微子可以探测到地下中微子探测器。相互作用的低能量的中微子,大约GeV,所有的末态粒子“完全包含(FC)”的探测器。更高的能源充电电流相互作用可能导致μ介子退出探测器;这些被称为“部分包含(PC)。“为了拒绝背景从宇宙射线粒子,以及干净地重建事件的细节,顶点位置的互动通常定义为在一些基准体积。此外,一些探测器配备外探测器(也称为否决或antidetectors)轻松地识别粒子穿透。

还有第三个类别的充电电流探测器外的交互发生的事件,和子进入穿过探测器或停止的探测器。这些被称为“upward-goingμ介子”,因为一个通常要求他们来自地平线以下,以确保足够的岩石吸收普通宇宙射线μ介子。完全控制,部分包含,upward-goingμ介子事件样本有一定范围的父中微子的能量。作为一个例子,图8显示了每个类别的父中微子能量分布事件样本的超级神冈探测器实验(26]。大气中微子的能量大约100兆电子伏在地下探测器从高于10 TeV。根据实验的类型,这些类型的事件进行了研究。

在撰写本文时,有四个实验,目前研究大气中微子:超级神冈,米诺斯,SNO,冰立方。

SNO是一个著名的太阳中微子探测器。这个实验能够衡量μ介子,产生的高能大气中微子在围岩相互作用[27]。自从SNO检测器位于地下2公里,身体滑向接近水平的downward-going后μ介子中微子诱导。典型的为这些μ介子中微子的能量是100 GeV。目前已知的值,我们可以很容易地估计为中微子中微子振荡的影响极小,生成这些身体滑向接近水平的downward-going后μ介子。因此,这些子数据可以用于校准计算大气中微子通量。测量downward-goingμ介子通量(27)是倍高于计算一个Bartol集团(6]。这个结果表明,绝对通量正常化100 GeV能源范围应该提高未来的通量的计算。

迈诺斯主要是一个探测器长基线中微子振荡实验。然而,位于2070 m.w.e。地下,它也可以探测大气中微子。它是第一个磁化追踪大气中微子探测器。迈诺斯能够得到信息跟踪方向,电荷,势头。在[28)最初的结果从米诺斯大气分离的研究和事件。与标准的数据是一致的振荡。这项研究是更新更多的数据29日]。

冰立方中微子望远镜的主要目的是学习很高能中微子天体物理学。寻找这些天体物理学的主要背景大气中微子是高能中微子。在[30.的大气能谱从100 GeV到400伏特的电压测量。在这个能量范围内,μ介子的能量损失大约是成正比的。因此,μ介子和父中微子能量光谱可以被估计。光谱测量与预测中的错误是相一致的。最近,冰立方8加密字符串添加到现有冰立方阵列(DeepCore)。在这个体积,低能量(低于100 GeV)可以观察到的中微子。DeepCore观察的赤字由于中微子振荡的交互31日]。

这些实验导致大气中微子以各种方式的研究。然而,由于中微子振荡的研究而言,大气中微子事件相关的统计数据从超级能源地区主导的数据。因此,从今以后,我们主要讨论大气中微子超级神冈的结果。

超级神冈有几个阶段。数据从超级神冈我第四用于许多物理分析。总接触完全包含大气中微子探测器的分析是240 - kton·年截至2012年6月(32]。图9显示了不同天顶角分布从超级神冈次级样本。最近超级丰富的新的分析和事件分别由最大似然方法基于电子的数量等信息(介子)μ介子衰变或能量的一部分由强子。分离分布为和浓缩样品也会显示出来。通过拟合天顶距分布(见[26少)的分析方法和结果与数据统计),振动参数准确测量。

此外,超级神冈更新了分析只使用高决议式和PC事件(见[33]分析)的细节。图10展示了更新后的超级神冈的阴谋。最初的动机之一分析测试如果消失概率遵循正弦函数作为预测的中微子振荡。这个分析也用于区分振荡和替代模型,适合天顶距分布相当好。这些模型包括中微子衰变(34,35和中微子脱散36,37)模型。的分布显示了一个泡公里/ GeV对应于第一个振荡最小。振荡的分布是用来比较和其他假设和限制其他假说:衰变和退相干模型在4.0和4.8个标准差,不鼓励它。由于观察的倾斜,允许的区域振荡参数,特别是准确地测量。

4.1。味道振动分析

中微子振荡分析使用不同的观测数据进行大气中微子实验。在这些分析中,系统误差的处理是非常重要的,因为在某些情况下,系统误差分析的结果有重要的影响。因此,系统误差是仔细研究和考虑振动分析。超级神冈探测器的情况下,分析系统误差项的数量超过100。其中一些相关通量,中微子交互和探测器。

图11显示了two-flavor允许地区从大气中微子振荡参数和长基线中微子振荡实验。我们发现允许区域重叠,建议进一步标准中微子振荡的情况下是有效的。从这个图中,我们发现最准确地衡量MINOS长基线实验(38),而混合参数仍然是由超级大气中微子实验测量最准确。可能的原因准确地在大气中微子实验中很容易被理解:一个发现=数量的上行事件/数量的下降在中微子的能量范围内的事件和轻子方向(即有良好的相关性。,multi-GeV能源范围)。此外,通量预测是上下按钮对称的一个很好的近似multi-GeV能量范围。最后,还应该注意这一点与1.0一致。

4.2。τ外观

大约一个CC事件每吨一年暴露预计将发生在一个大气中微子探测器振荡与当前最适合振动参数。活动率低是由于大气中微子流量的软能谱和门槛效应,这需要一个至少3.5 GeV产生的能量轻子。这些通常衰变强子(分支比64%)顶点1毫米内。这些事件应该upward-going否则类似于精力充沛数控事件。因此很难分离事件与event-by-event基地正在进行大气中微子实验。

超级神冈寻找答事件multi-GeV FC的事件。首先,它是要求最精力充沛的环例如,为了减少CC背景。然后,候选人事件是由一个神经网络方法。几个变量的事件重建被用作这些分析的输入。然后,天顶距分布的函数的输出参数神经网络用于估计的数量事件统计。重要的是要注意,估计是可能的,因为这两个信号和背景事件准确预测天顶距分布。图12显示的输出神经网络分析和τ的天顶距分布分析。最适合的交互发生在基准的探测器在173 - kton·年暴露(系统)。39]。预期的数字是。观察到的数量相互作用是一致的期望。在撰写本文时,混合角已经确定准确(40- - - - - -44]。这已经产生重大影响的系统误差τ的外表,因为最大的系统误差之一在前面分析(45)是由于未知的价值未知,即电子的贡献出现事件upward-going方向tau-like样本。最更新的分析(39),外观必须符合大气中微子数据与3.8标准差的意义水平。

4.3。味道振动分析

大亚湾近期发布的数据(40),里诺(41],和双CHOOZ [42)反应堆以及那些从T2K实验(43和迈诺斯44长基线实验表明正常的层次结构(46]。对于反向层次结构,核心价值是0.024646]。虽然大气中微子2-flavor很适合的数据振荡,3-flavor振荡效果应该在某种程度上可见。非零的观察,有趣的是问大气中微子实验可以确定质量等级或CP阶段中微子混合矩阵。

自从3-flavor振荡的年代,让我们写振荡效果如下: 在哪里和是大气通量和没有振荡,是通量变化由于振荡问题由括号中列出的参数。图13显示了振荡概率作为一个函数的中微子能量(和天顶角)。在这个情节,正常的质量等级是假定,中微子的振荡概率。

对所有的大气中微子实验是敏感在(4.1)。自振荡的重要增强是唯一有效的反中微子中微子而不是正常的质量层次,因为有几个特性不同的中微子和反中微子的交互,它可能决定大气中微子的质量层次结构数据。干涉项违反(CP)也可能发挥重要作用在大气中微子振荡。事实上,一些作者(见,例如,47])表示完整的潜在重要性3-flavor分析在大气中微子实验中,甚至在非零的发现。

超级神冈探测器进行了全面的3-flavor分析(32]。图14显示了分布的函数对正常和反向层次结构情况。目前,测量反应堆和加速器的数据是一致的。

图15显示了分布的函数对正常和反向层次结构情况。有一些差异根据质量等级:最适合的区别点和最坏点是2.5对正常和反向质量层次结构。最低值反向质量等级小于正常的质量等级1.2。很明显,目前的数据不能确定质量等级。然而,他们认为,未来大气中微子实验或更高的统计数据和分离可以确定质量等级。

图16显示了分布的函数对正常和反向层次结构情况。如果限制最适合现值和正常的层次结构假设,最适合小于0.5。然而,在其他情况下,最合适的方法大于0.5。在任何情况下,所有的曲线表明,最大混合的数据是一致的,也就是说,。

5。未来的发展方向

现在超级神冈的数据显示,未来大气中微子实验可能确定质量等级和约束CP的阶段。灵敏度与不同的探测器技术进行研究。

图17显示了对质量的层次结构在水切伦科夫探测器(Hyper-Kamiokande) [48]。Hyper-Kamiokande将1-Mton总质量和0.56 -mton质量基准。灵敏度的定义区别正常和反向质量层次结构的函数探测器曝光。假设和可以确定,质量等级超过5年的3个偏差水平质量等级情况下操作。

的影响和质量等级通量是有点小。然而,如果μ介子电荷测量,探测器将敏感质量层次结构。图18显示了为对于两个不同天顶角度(49]。一个发现正常和反向质量层次的区别。伊诺项目将利用这个特性。ICAL探测器在伊诺站点将50-kton铁量热计探测器1.5特斯拉的磁场(50]。图19ICAL探测器的示意图,显示为一个典型的例子的铁量热计探测器。图20.显示预期的敏感质量层次结构(49]。目前已知的有可能ICAL确定质量等级,虽然它可能需要10年以上达到3个偏差水平。

另一个建议是安装额外的20个字符串到现有冰立方的DeepCore探测器在南极(企鹅家族)51,52]。由于它的巨大的基准质量(Mton)和降低能量阈值与冰立方/ DeepCore相比,企鹅家族将会对质量的层次结构。图21显示了估计对于一个认为能源和角分辨率。根据假设,它有可能确定质量等级与在4 - 5年数据22-standard偏差水平(53]。

此外,它应该指出,水切伦科夫探测器的八分仪很敏感由于观察的可能性和CP阶段subleading sub-GeV GeV能源地区的影响。图22显示预期的敏感性在Hyper-K八分仪测定。即使,它将有可能确定的八分仪目前已知在90%中一段。

未来大气中微子实验会有一些敏感CP阶段所示(48]。然而,它也确实灵敏度有限技术与计划相比基于硬件加速的长基线实验。可能,大气中微子实验可以给独立确认加速器结果CP违反。最后,应当指出,一些计划中的长基线实验没有足够长基线长度。因此,这些实验可能无法确定质量等级。如果不知道质量等级,CP阶段不能唯一确定。质量等级的确定与未来大气中微子实验可能有助于消除虚假CP的解决方案。从这个意义上讲,未来大气中微子和长基线实验将互补的。

6。总结

本文的研究大气中微子。的范围在大气中微子非常宽,宽对应中微子振荡实验研究的质量范围是。因此,在某种意义上,大气中微子是自然来源发现中微子振荡时,中微子质量是未知的。花了大约10年从大气中微子的发现异常在1998年中微子振荡的结论。在随后的14年,数据和中微子振荡的理解大大改善。这些包括确认振荡的加速器based-long基线实验,发现太阳中微子的振荡和非零的发现。

人们普遍认为中微子的发现打开一个窗口,新的物理粒子物理学的标准模型之外。特别是大型混合角似乎给了我们一些提示给我们的深入了解的夸克和轻子之间的关系。小而有限的中微子的质量也可以理解的关键的重子和宇宙中反重子不对称。很大程度上出于这些物理、新提议和想法对未来中微子振荡实验已经被广泛讨论。大气中微子实验是其中之一。大气中微子实验很可能将继续对中微子振荡的研究作出贡献。

确认

作者欣然承认超级神冈探测器的成员协作有用的讨论和信息。这项工作在一定程度上支持日本教育部,文化、体育、科技、由日本促进社会科学。