文摘
本文旨在研究的可行性构建一个Earth-skimming宇宙τ中微子探测器,最终目的是识别自然网站山谷的理想尺寸的检测τ中微子从非常高的能量来 ,以及可能找到一个这样的网站在阿尔及利亚。首先,中微子的蒙特卡罗模拟——(山)物质相互作用以及由此产生的轻子衰变的山进行了确定最优尺寸以及位置τ衰变的山谷。第二,CORSIKA(宇宙射线模拟KAscade)模拟排选项进行跟踪的发展几乎水平风淋室由轻子。许多粒子产生,这是淋浴的一部分组件:电子、μ介子,γ,π介子,等等。这些粒子的空间分布的研究可以发现最优谷的宽度,因此,奠定的距离检测网络。
1。介绍
超高能量(过程)τ中微子中微子振荡现象产生的其他口味(电子和μ子中微子)在他们的旅程从宇宙中创建站点到达地球上点。中微子的截面与物质相互作用,在这种情况下,岩石的地球,增加能量(1),即。,的prospect of an interaction with matter is higher in the case of a UHE neutrino compared to solar neutrinos. Moreover, Earth matter crossed by neutrinos does not meet the required size for the detection of low- and medium-energy neutrinos, which is advantageous in our case. The study of Earth-skimming UHE tau neutrinos was proposed as a method to apply in the search for neutrinos of cosmic origin by several research studies around the year 2000 [2- - - - - -5]。各种承诺为τ中微子的探测实验在更高的能量通过tau-induced空气淋浴是开发和利用切伦科夫望远镜,我们引用大6],[灯塔7,三一(8),显示一个小系统的检测就足以达到敏感性,比得上ARA [9)或阿(10)实验。未来实验的目的是检测了空气淋浴观察从轨道和亚轨道高度POEMMA [11],EUSO-SPB2 [12]。
设备的想法是利用山事为了(弱相互作用)τ中微子转化为τ轻子,其中部分出现在大气中的衰减后大约水平方向,形成一个空气淋浴。一些粒子在淋浴时可以使用数组的闪烁探测器加上光电倍增管,其中一些已经被用于宇宙μ介子的检测(13]。随后的山的一个明智的选择,定位的检测网站接近最大发展空气簇射将优化检测。应该注意的是,这个配置已经提出的月球探测科学中心团队在格勒诺布尔14,15]。
2。实验的描述
考虑一个τ中微子传播在给定角度和到达山的前面。然后可能与山由弱相互作用和相互作用,在某些情况下,创建一个轻子 ,然后传播。如果轻子创建一个足够近的距离表面的山,它将有一个高概率的逃避,通过衰变,触发水平空气淋浴在山的山谷。这个淋浴将探测条件下衰减不发生太大的距离。这个目的,检测网络上安装第二个山的前提是定位配合的最大发展空气淋浴。τ中微子探测器探测提供了诸如通过一个安装在一个特定的山谷配置。类似于τ中微子 ,一个宇宙电子中微子岩石中传播。然而,通过带电当前创建的电子互动太快停了它能够在这种类型的显著贡献检测。另一方面,在创建的μ介子交互能够逃离岩石,一样 。然而,这个实例的不同在于这两个粒子的寿命。事实上,如果有一个非常短的一生 ,2.2μ介子有足够时间更长 。因此,在给定的能量,μ介子衰变的概率是微不足道的 。类似于 ,的将检测不到设备这一研究。以精确的方式描述这种现象,以下过程必须考虑:
3所示。目标的研究
本研究的目的是双重的。首先,确定一个山的理想宽度这将使新兴的最大数量的生产τ的轻子事件τ中微子。第二,定义的理想宽度τ中微子转换谷山。这个宽度是由允许的轻子衰变和随后的检测产生的空气簇射的最大深度(纵向的发展空气淋浴)。这些网站将需要比较维度对现有自然网站:山的宽度十到几十公里之间。在这项研究中,山宽度高达30公里的上限,谷的宽度被认为是20公里。
4所示。山里的蒙特卡罗描述传播和山谷
4.1。在山脉:转换从τ中微子τ轻子
的相互作用被认为是本研究的目的和研究问题弱中微子交互和τ能量损失和衰败的过程。鉴于宇宙的能量参与这项研究τ中微子(上图 ),可以把新兴和事件τ的方向轻子差不多的,因此,一个单一的研究应该足够了。的交互位置绘制一个中微子随机创建它时,这一步一步的传播要快得多。关于中微子只有两种可能的交互和没有经历任何能量损失,其创建点和点之间的距离的互动是由(16]。 在哪里是一个0到1之间的随机数;和是带电的横截面电流和中性电流相互作用,分别由下列公式(17,18]。
如果充电电流交互发生(例: ),即。,an interaction producing a tau lepton, we will follow the propagation of the resulting相反,通过确定每一步的能量损失,以及其衰变的概率。在发生衰变,产生的中微子将再次传播。它可能最终产生τ(这一过程被称为“中微子再生”)。这些事件是计价“double-bang”事件(和单一转换事件“single-bang”事件)。然而“double-bang”事件的概率是可以忽略不计(16]。
中微子因此可以随机的位置的交互。如果外的立场是岩石,中微子被认为是输了。如果有一个交互在地球,那么它的类型(两种可能的交互)有待确定。由于应用的能量损失,轻子通常应逐步传播。或者,衰变的位置轻子也是随机派生按照下列公式的生存概率的粒子Dutta et al。19]: 在哪里
在这些表达式,的距离吗生产后,是初始能源在其生产的时刻 和 。
4.2。在硅谷:水平风淋室由轻子
四个主要的衰变的渠道是(20.]
5。排代码
排(21)是一种混合模拟代码,实现为一个选项在CORSIKA [22代码,这被认为是最好的EAS使用蒙特卡罗方法仿真代码。排结合蒙特卡罗模拟(MC)快速数值解的级联方程(CE)产生的高能二次粒子的分布。它使空气淋浴的快速模拟,包括波动。
初级粒子,一个给定的能量和天顶角,能量沉积剖面以及纵向的带电粒子(电子、正电子,μ介子)和γ光子计算。
风淋室的参数模拟,配置文件,和调整结果写入到根文件。
6。结果和讨论
6.1。轻子生产
的轻子生存概率距离的关系在山上生产后,主能量从来如图1。我们显然注意到生存的概率增加的能量 。
在图2,我们画出能量分布从mono-energetic中微子产生的轻子作为距离的函数岩石深度等于 。创建了τ的深度 ,和它的减少从晨练 来 就在它的出现的时刻。
6.2。轻子衰变
图3说明了结果的中微子的能量 。不同的山谷宽度的数量从岩石和新兴的数量腐烂的山谷。
可以看出有两个地区。第一个区域展品的数量减少对于小型山厚度。这是由于这样的事实,中微子转换需要足够的材料。然后,山的宽度的增加,会出现一个高原。
这个高原是两个对立的影响的结果:生产的可能性更大与物质的增加与生产相结合从山的另一端越来越远,逃跑的可能性较低。
所需的最小宽度可以从这个图推导出:约中微子的能量 。它也观察到, ,一个山谷的长度允许所有出生的衰变(黑色和红色曲线合并)。
和上面同样的效果观察,,的情况作为一个例子,一个扩张所需的山谷,山宽度。观察到相反的效果(收缩所需的距离),在这种情况下,增加统计涨落。
6.3。广泛的山谷风淋室的轻子
为了模拟轻子空气淋浴,CORSIKA应用。通过选择排选项,模拟的参数设置如下:
基本粒子:
能源的主要粒子: 来
天顶距:
事件数量:800 - 1000
强子交互模型:QGSJET01
电磁组件:EGS4
在每个仿真,Gaisser-Hillas参数( :带电粒子数量最大的淋浴; :最大的大气深度淋浴)记录。
在图5,我们把大气深度的函数(在 )不同粒子的女儿淋浴的纵向粒子分布由τ轻子。对于所有的能量,我们注意到是紧随其后的是最高 。的和代表总粒子数的淋浴。
随着τ能量的增加,峰值变得越来越转向大深度大气的价值观。的值的峰值对应的值 。
图6显示了大气淋浴最大深度的变化与τ埃内里开始淋浴。的范围从晨练来 ,我们发现之间的关系和是拟线性。
粒子密度的分布 为不同的轻子能量,为各种探测器位置( ,7、8、9和10公里),它显示在图7。对于所有的谷值宽度、粒子的密度增长与能源经过峰值 ,然后它减少,除了谷宽度等于10公里有一个峰值 。从结果中,我们可以推断出谷宽度的值等于9公里允许广泛的轻子能量的检测来 。超出一个山谷宽度大于10公里,粒子的密度将非常小的值的范围从15到的能量 ,和将转向一个能量接近峰值防止检测较低的能量。
7所示。结论和观点
本研究研究了使用(山谷)配置作为一个可能的轮廓的检测过程中τ中微子。蒙特卡罗模拟,可以确定第一个山的维度用于产生一个最大新兴τ轻子数,范围从5公里10公里。排模拟启用详细研究从轻子出生的风淋室;它允许我们推断的最优位置检测网络,对应于山谷宽度等于9公里。允许这些淋浴的检测,闪烁体的尺寸必须大于因为粒子的密度是一些粒子每秩序τ能量低于 。
数据可用性
数据支持本研究的结果包括在补充文件
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
补充材料
图1:生存的概率轻子山的厚度的函数从创建 ,5事件的能量 。图2:轻子的能量产生的事件的能量de la距离的函数的岩石。图3:数量(新兴与红色与黑色和腐烂的)的岩石长度的函数τ中微子能量不同的山谷宽度值(3、5、8和10公里)。图4:数量(新兴与红色与黑色和腐烂的)的岩石长度的函数τ中微子能量硅谷宽度3公里。图5:数量(新兴与红色与黑色和腐烂的)的岩石长度的函数τ中微子能量不同的山谷宽度值(5、10和15和20公里)。图6:分布normalisee desμ介子de la gerbe initiee par un轻子τ根据de la傲慢倒还有不同的数值值de l 'energie等对les trois de(70年和75年等80)。图7:值de根据de l 'energie du轻子τ倒les trois值de 。(补充材料)