Solnechno-Zemnaya FizikaSolnechno-Zemnaya FizikaСолнечно-земная физика2712-9640733710.12737/13514Результаты исследованийResults of current researchРезультаты исследованийBehaviour of the high-energy neutrino flux in the Earth’s atmosphereХарактеристики потока нейтрино высоких энергий в атмосфере ЗемлиКочановАлексей АлександровичKochanovAleksey Aleksandrovichkochanov@iszf.irk.ru
Институт солнечно-земной физики СО РАНИркутскРоссияInstitute of Solar Terrestrial Physics SB RASIrkutskRussian FederationИркутский государственный университетИркутскРоссияIrkutsk State UniversityIrkutskRussian FederationИркутский государственный университетИркутскРоссияIrkutsk State UniversityIrkutskRussian FederationИркутский государственный университет путей сообщенияИркутскРоссияIrkutsk State Transport UniversityIrkutskRussian FederationИркутский государственный университетИркутскРоссияIrkutsk State UniversityIrkutskRussian Federation171220151712201514310https://zh-szf.ru/en/nauka/article/7337/view
При обработке данных, полученных в эксперименте IceCube за 988 дней (2010-2013 гг.), обнаружены 37 высокоэнергетических нейтринных событий с энерговыделением от 30 ТэВ до 2 ПэВ. Гипотеза об астрофизическом происхождении этих нейтрино подтверждается на уровне статистической достоверности 5.7 стандартных отклонений. Для надежной идентификации нейтринных событий необходим тщательный расчет фона атмосферных нейтрино. В работе выполнен расчет спектров атмосферных нейтрино в интервале энергий 100 ГэВ – 10 ПэВ для ряда моделей адрон-ядерных взаимодействий с использованием нескольких параметризаций спектра космических лучей, опирающихся на экспериментальные данные и учитывающих излом спектра. Показано, что редкие распады короткоживущего нейтрального каона K0_s при энергиях выше 100 ТэВ дают более трети полного потока электронных нейтрино, а учет реакции рождения К-мезонов в пион-ядерных соударениях приводит к возрастанию потока электронных нейтрино еще на 5-7 % в интервале энергий 10^2 -10^4 ГэВ. Расчетные спектры в целом согласуются с данными измерений. Извлеченное из данных IceCube флейворное отношение потоков нейтрино дает указание на то, что измеренный спектр атмосферных электронных нейтрино содержит примесь диффузного потока астрофизических нейтрино при энергиях 20-50 ТэВ.
The processing of the IceCube experiment data, obtained during 988 days (2010-2013), revealed 37 high-energy neutrino-induced events with deposited energies 30 TeV - 2 PeV. The hypothesis of an astrophysical origin of these neutrinos is confirmed at the statistical confidence level of 5.7 standard deviations. To identify reliably the neutrino events, a thorough calculation of the atmospheric neutrino background is required. In this work we calculate the atmospheric neutrino spectra in the energy range 100 GeV - 10 PeV with usage of several hadronic models and a few parametrizations of the cosmic ray spectra, supported by experimental data, which take into account the knee. It is shown that rare decays of short-lived neutral каоns K0_s contribute more than a third of the total electron neutrino flux at the energies above 100 ТeV. The account for kaons production in pion-nucleus collisions increases the electron neutrino flux by 5-7 % in the energy range 10^2 -10^4 GeV. Calculated neutrino spectra agree on the whole with the measurement data. The neutrino flavor ratio, extracted from the IceCube data, possibly indicates that the conventional atmospheric electron neutrino flux obtained in the IceCube experiment contains an admixture of the astrophysical neutrinos in the range 20 − 50 TeV.
1. ВВЕДЕНИЕНейтрино высоких энергий, регистрируемые на Земле, рождаются в следующих процессах:1) заряженные частицы (протоны и ядра), ускоренные ударными волнами в астрофизических источниках, взаимодействуют со сброшенной оболочкой (звездным ветром, остатком сверхновой и другим веществом) или интенсивными электромагнитными полями вблизи источника, генерируя мезоны в двух типах реакций p+p→π±(K±, K0, …)+X, p+γ→π±+X; в слабых распадах (π, K)-мезонов и продуктов их распада - мюонов - рождаются нейтрино π± → μ± + νμ(νμ), K± →μ± + νμ(νμ), μ± → e± + νe(νe) + νμ(νμ);2) космические лучи (протоны и ядра), покинувшие область ускорения, взаимодействуют с веществом, электромагнитными полями межзвездной среды и реликтовым излучением, генерируя так называемые космогенные нейтрино;3) космические лучи, взаимодействующие с атмосферой Земли, являются источником атмосферных нейтрино.Нейтрино высоких энергий от распадов мезонов и барионов, рождающихся в соударениях космиче-ских лучей с ядрами атомов атмосферы Земли, образуют неустранимый фон при детектировании ней-трино от астрофизических источников, расположенных в Галактике или за ее пределами. Проблема спектра атмосферных нейтрино чрезвычайно актуальна: обработка данных эксперимента IceCube (Южный Полюс) за 2010-2013 гг. выявила 37 событий с энергиями 30 ТэВ - 2 ПэВ от нейтрино внеатмосферного происхождения [Aartsen et al., 2013a, 2013b, 2014]. Астрофизическое происхождение этих нейтрино подтверждается на уровне статистической значимости выше пяти стандартных отклонений от ожидаемого фона атмосферных мюонов и нейтрино, который по оценкам экспериментаторов составляет 15 событий. Регистрация событий от нейтрино с энергиями порядка 1 ПэВ на установке IceCube существенно меняет оценку вклада распадов очарованных частиц в поток атмосферных нейтрино - важной составляющей фона для астрофизических нейтрино высоких энергий. Эта компонента атмосферных нейтрино - «прямые» нейтрино - до сих пор не зарегистрирована нейтринными телескопами, и нельзя исключить, что часть событий, отнесенных к астрофизическим нейтрино в эксперименте IceCube, обусловлена именно вкладом распадов очарованных мезонов и барионов (D±, D0, D0, Ds±, Ac±), рождающихся в атмосфере.Обработка данных нейтринного телескопа IceCube за 641 день (2010-2012 гг.) при понижении порога для нейтрино показала [Aartsen et al., 2015a], что в Южном полушарии доминирует астрофизическая компонента нейтринного потока с энергией выше 10 ТэВ. Полное число событий от астрофизи-ческих нейтрино при таком низком пороге возросло до . Подобное развитие событий было предсказано в работах [Sinegovskаya et al., 2013, 2015] на основе анализа измеренных в эксперименте IceCube спектров атмосферных нейтрино [Abbasi et al., 2011; Aartsen et al., 2013c, 2015c].Распады заряженных и нейтральных каонов - важнейший источник нейтрино и в то же время фактор значительных неопределенностей расчета спектров νμ(νμ), νe(νe). В работе представлен подробный анализ основных источников атмосферных электронных нейтрино: потоки νe примерно на порядок меньше потоков νμ, поэтому представляют сравнительно низкий фон для астрофизических нейтрино. Особый интерес представляет вклад полулептонного трехчастичного распада нейтрального Ks0-мезона. Показано, что редкие распады короткоживущего -мезона при энергиях выше 100 ТэВ дают более 30 % полного потока νe + νe.Расчет энергетических спектров атмосферных электронных и мюонных нейтрино в интервале энергий 100 ГэВ - 10 ПэВ выполнен в рамках подхода [Наумов, Синеговская, 2000; Kochanov et al., 2008; Кочанов и др., 2013] для известных моделей адрон-ядерных взимодействий SIBYLL-2.1 [Ahn et al., 2009], QGSJET-II-03 [Калмыков, Остапченко, 1993; Kalmykov et al., 1997; Ostapchenko, 2008] и модели Кимеля-Мохова [Кимель, Мохов, 1974] с использованием двух параметризаций спектра космических лучей, включающих излом спектра - модели Зацепина-Сокольской (ZS) [Zatsepin, Sokolskaya, 2006] и Хилласа-Гайссера (HGm) [Gaisser, 2012]. Приведено сравнение расчета с новой обработкой данных IceCube по спектрам атмосферных нейтрино и с первым измеренным значением флейворного отношения [Aartsen et al., 2015b, 2015c].
Кайдалов А.Б., Пискунова О.И. Образование очарованных частиц в модели кварк-глюонных струн // Ядерная физика. 1986. Т. 43, № 6. С. 1545-1552.Aartsen M.G. et al. (IceCube Collaboration).First observation of PeV-energy neutrinos with IceCube. Phys. Rev. Lett. 2013a, vol. 111, 021103. DOI: 10.1103/PhysRevLett.111.021103.Калмыков Н.Н., Остапченко С.С. Ядро-ядерное взаимодействие, ядерная фрагментация, флуктуации широких атмосферных ливней // Ядерная физика. 1993. Т. 56, № 3. С. 105-119.Aartsen M.G. et al. (IceCube Collaboration) Evidence for high-energy extraterrestrial neutrinos at the IceCube detector.Science.2013b, vol. 342, 1242856.DOI: 10.1126/science.1242856.Кимель Л.Р., Мохов Н.В. Распределения частиц в диапазоне энергий 102-1012 эВ, инициированные в плотных средах выскоэнергетическими адронами // Известия вузов. Физика. 1974. Вып. 10. С. 17-23.Aartsen M.G. et al. (IceCube Collaboration).Measurement of the e flux in IceCube. Phys. Rev. Lett. 2013c, vol. 110, 151105 (IceCube-DeepCore data). DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.151105.Кочанов А.А., Синеговская Т.С., Синеговский С.И. Мюоны космических лучей высокой энергии в атмосфере Земли // ЖЭТФ 2013. Т. 143, № 3. С. 459-475.Aartsen M.G. et al. (IceCube Collaboration). Observation of high-energy astrophysical neutrinos in three years of IceCube data. Phys. Rev. Lett. 2014, vol. 113, 101101. DOI: 10.1103/PhysRevLett.113.101101Наумов В.А., Синеговская Т.С. Элементарный метод решения уравнений переноса нуклонов космических лучей в атмосфере // Ядерная физика. 2000. Т. 63, № 11. С. 2020-2028.Aartsen M.G. et al. (IceCube Collaboration).Atmospheric and astrophysical neutrinos above 1 TeV interacting in IceCube.Phys. Rev. D. 2015a, vol. 91, 022001. DOI: 10.1103/PhysRevD.91.022001.Синеговская Т.С. Механизмы генерации атмосферных мюонов и нейтрино высоких энергий. Дис. … к.ф.-м.н. Иркутск: ИГУ, 1999. 129 с.Aartsen M.G. et al. (IceCube Collaboration).Development of a general analysis and unfolding scheme and its application to measure the energy spectrum of atmospheric neutrinos with IceCube.Eur. Phys. J. C. 2015b, vol. 75, 116, 14 p. DOI:10.1140/epjc/s10052-015-3330-z.Aartsen M.G. et al. (IceCube Collaboration). First observation of PeV-energy neutrinos with IceCube // Phys. Rev. Lett. 2013а. V. 111.P. 021103. DOI: 10.1103/PhysRevLett.111.021103.Aartsen M.G. et al. (IceCube Collaboration).Measurement of the atmospheric νe spectrum with IceCube. Phys. Rev. D. 2015c, vol. 91, 122004; arXiv:1504.03753v2, 2015, 15 p. DOI:10.1103/PhysRevD.91.122004.Aartsen M.G. et al. (IceCube Collaboration) Evidence for high-energy extraterrestrial neutrinos at the IceCube detector // Science. 2013b. V. 342.P. 1242856.DOI:10.1126/science.1242856.Abbasi R. et al. (IceCube Collaboration). Measurement of the atmospheric neutrino energy spectrum from 100 GeV to 400 TeV with IceCube.Phys. Rev. D. 2011, vol. 83, 012001. DOI:10.1103/PhysRevD.83.012001.Aartsen M.G. et al. (IceCube Collaboration). Measurement of the e flux in IceCube // Phys. Rev. Lett. 2013с. V. 110.P. 151105 (IceCube-DeepCore data). DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.151105.Adrian-Martinez S. et al. Measurement of the atmospheric νμ energy spectrum from 100 GeV to 200 TeV with the ANTARES telescope.Eur. Phys. J. C. 2013, vol. 73, 2606.DOI: 10.1140/epjc/s10052-013-2606-4.Aartsen M.G. et al. (IceCube Collaboration). Observation of high-energy astrophysical neutrinos in three years of IceCube data // Phys. Rev. Lett. 2014. V. 113. P. 101101. DOI: 10.1103/PhysRevLett.113.101101.Ahn Eun-Joo et al. Cosmic ray interaction event generator SIBYLL 2.1.Phys. Rev. D. 2009, vol. 80, 094003. DOI: 10.1103/PhysRevD.80.094003.Aartsen M.G. et al. (IceCube Collaboration).Atmospheric and astrophysical neutrinos above 1 TeV interacting in IceCube // Phys. Rev. D. 2015a. V. 91. P. 022001. DOI: 10.1103/PhysRevD.91.022001.Bugaev E.V. et al. Prompt leptons in cosmic rays. Nuovo Cim. C. 1989, vol. 12. pp. 41-73. DOI: 10.1007/BF02509070.Aartsen M.G. et al. (IceCube Collaboration). Development of a general analysis and unfolding scheme and its application to measure the energy spectrum of atmospheric neutrinos with IceCube // Eur. Phys. J. C. 2015b. V. 75, N 116. 14 p. DOI:10.1140/epjc/s10052-015-3330-z.Gaisser T. Spectrum of cosmic-ray nucleons, kaon production, and the atmospheric muon charge ratio.Astropart. Phys. 2012, vol. 24, pp. 801-806. DOI: 10.1016/j.astropartphys.2012.02.010.Aartsen M.G. et al. (IceCube Collaboration). Measurement of the atmospheric νe spectrum with IceCube // Phys. Rev. 2015c. V. D91, 122004; arXiv:1504.03753v2, 2015. 15 p. (IC86, новая обработка). DOI:10.1103/PhysRevD.91.122004.Honda M. et al. Calculation of atmospheric neutrino flux using the interaction model calibrated with atmospheric muon data. Phys. Rev. D. 2007, vol. 75, 043006. DOI: 10.1103/PhysRevD.75.043006.Abbasi R. et al. (IceCube Collaboration). Measurement of the atmospheric neutrino energy spectrum from 100 GeV to 400 TeV with IceCube // Phys. Rev. D. 2011. V. 83. P. 012001. DOI:10.1103/PhysRevD.83.012001.Kaidalov A.B., Piskunova O.I. Production of charmed particles in the quark-gluon string model. Sov. J. Nucl. Phys. 1986, vol. 43, pp. 994-998.Adrian-Martinez S. et al. Measurement of the atmospheric νμ energy spectrum from 100 GeV to 200 TeV with the ANTARES Telescope // Eur. Phys. J. C. 2013. V. 73. P. 2606.DOI: 10.1140/epjc/s10052-013-2606-4.Kalmykov N.N., Ostapchenko S.S. The nucleus-nucleus interaction, nuclear fragmentation, and fluctuations of extensive air showers. Phys. Atom. Nucl. 1993, vol. 56, pp. 346-353.Ahn Eun-Joo et al. Cosmic ray interaction event generator SIBYLL 2.1 // Phys. Rev. D. 2009. V. 80. P. 094003. DOI: 10.1103/PhysRevD.80.094003.Kalmykov N.N., Ostapchenko S.S., Pavlov A. I. Quark-gluon string model and EAS simulation problems at ultra-high energies. Nucl. Phys. B (Proc. Suppl.) 1997, vol. 52, pp. 17-28. DOI: 10.1016/S0920-5632(96)00846-8.Bugaev E.V. et al. Prompt leptons in cosmic rays // Nuovo Cim. C. 1989. V. 12. P. 41-73. DOI: 10.1007/BF02509070.Kimel L.R., Mokhov N.V. Particle distributions in 102-1012 eV energy range initiated by high-energy hadrons in dense media. Izvestiya Vuzov. Fizika [Higher School Trans. Physics].1974, no. 10, pp. 17-23 (in Russian).Gaisser Т. Spectrum of cosmic-ray nucleons, kaon production, and the atmospheric muon charge ratio // Astropart. Phys. 2012. V. 24. P. 801-806. DOI: 10.1016/j.astropartphys.2012.02.010.Kochanov A.A., Sinegovskaya T.S, Sinegovsky S.I. High-energy cosmic-ray fluxes in the Earth atmosphere.Astropart. Phys. 2008, vol. 30, pp. 219-233. DOI: 10.1016/j.astropartphys.2008.09.008.Honda M. et al. Calculation of atmospheric neutrino flux using the interaction model calibrated with atmospheric muon data // Phys. Rev. D. 2007. V. 75. P. 043006. DOI: 10.1103/PhysRevD.75.043006.Kochanov A.A., Sinegovskaya T.S., Sinegovsky S.I. High-energy cosmic ray muons in the Earth’s atmosphere. J. Experimental and Theoretical Physics. 2013, vol. 116, no. 3, pp. 395-413.DOI: 10.1134/S1063776113020143.Kalmykov N.N., Ostapchenko S.S., Pavlov A.I. Quark-gluon string model and EAS simulation problems at ultra-high energies // Nucl. Phys. B (Proc. Suppl.) 1997. V. 52. P. 17-28. DOI: 10.1016/S0920-5632(96)00846-8.Naumov V.A. Atmospheric muons and neutrinos.Proc. 2nd Workshop on methodical aspects of underwater/underice neutrino telescopes.Ed. by R. Wischnewski (DESY, Hamburg, 2002); hep-ph/0201310v2.Kochanov A.A., Sinegovskaya T.S., Sinegovsky S.I. High-energy cosmic-ray fluxes in the Earth atmosphere // Astropart. Phys. 2008. V. 30. P. 219-233. DOI: 10.1016/j.astropartphys.2008.09.008.Naumov V.A., Sinegovskaya T.S, Sinegovsky S.I. The Kl3 formfactors and atmospheric neutrino flavor ratio at high energies. Nuovo Cim. A. 1998, vol. 111, pp. 129-148.Naumov V.A., Sinegovskaya T.S., Sinegovsky S.I. The Kl3 formfactors and atmospheric neutrino flavor ratio at high energies // Nuovo Cim. A. 1998. V. 111. P. 129-148.Naumov V.A., Sinegovskaya T.S., Simple method for solving transport equations describing the propagation of cosmic-ray nucleons in the atmosphere. Physics of Atomic Nuclei. 2000, vol. 63, no. 11, pp. 1927-1935. DOI: 10.1134/1.1335089.Naumov V.A. Atmospheric muons and neutrinos // Proc. 2nd Workshop on methodical aspects of underwater/underice neutrino telescopes / Ed. R. Wischnewski (DESY, Hamburg, 2002); hep-ph/0201310v2.Ostapchenko S. Hadronic interactions at cosmic ray energies.Nucl. Phys. B (Proc. Suppl.) 2008, vol. 175-176, pp. 73-80. DOI:10.1016/j.nuclphysbps.2007.10.011Ostapchenko S. Hadronic interactions at cosmic ray energies // Nucl. Phys. B (Proc. Suppl.) 2008. V. 175-176. P. 73-80.Sinegovskaya T.S. Mekhanizmy generatsii atmosfer-nykh myuonov i neitrino vysokikh energii [Mechanisms of generation of atmospheric muons and neutrinos at high energies] PhD Thesis.Irkutsk State University, 1999, 129 p. (in Russian).Sinegovskaya T.S., Ogorodnikova E.V., Sinegovsky S.I. High-energy fluxes of atmospheric neutrinos // Proc. of 33nd ICRC, Rio de Janeiro, 2013; arXiv: 1306.5907v2, 2013.Sinegovskaya T.S, Ogorodnikova E.V., Sinegovsky S.I. High-energy fluxes of atmospheric neutrinos. Proc. of 33nd ICRC, Rio de Janeiro, 2013; arXiv: 1306.5907v2, 2013.Sinegovskaya T.S., Morozova A.D., Sinegovsky S.I. High-energy neutrinos fluxes and flavor ratio in the Earth’s atmosphere // Phys. Rev. D. 2015. V. 91. P. 093011. DOI: 10.1103/PhysRevD.91.063011.Sinegovskaya T.S, Morozova A.D., Sinegovsky S.I. High-energy neutrinos fluxes and flavor ratio in the Earth’s atmosphere. Phys. Rev. D. 2015, vol. 91, 093011. DOI: 10.1103/PhysRevD.91.063011.Zatsepin V.I., Sokolskaya N.V. Three component model of cosmic ray spectra from 10 GeV to 100 PeV // Astron. Astrophys. 2006. V. 458. P. 1-5. DOI: 10.1051/0004-6361:20065108.Zatsepin V.I., Sokolskaya N.V. Three component model of cosmic ray spectra from 10 GeV to 100 PeV. Astron. Astrophys. 2006, vol. 458, pp. 1-5. DOI:10.1051/0004-6361:20065108.