Иркутский государственный университет
Иркутск, Россия
Иркутск, Россия
Иркутск, Россия
Иркутск, Россия
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.
нейтрино, высокие энергии, космические лучи
1. ВВЕДЕНИЕ
Нейтрино 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].
1. Кайдалов А.Б., Пискунова О.И. Образование очарованных частиц в модели кварк-глюонных струн // Ядерная физика. 1986. Т. 43, № 6. С. 1545-1552.
2. Калмыков Н.Н., Остапченко С.С. Ядро-ядерное взаимодействие, ядерная фрагментация, флуктуации широких атмосферных ливней // Ядерная физика. 1993. Т. 56, № 3. С. 105-119.
3. 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.
4. 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.
5. Наумов В.А., Синеговская Т.С. Элементарный метод решения уравнений переноса нуклонов космических лучей в атмосфере // Ядерная физика. 2000. Т. 63, № 11. С. 2020-2028.
6. Синеговская Т.С. Механизмы генерации атмосферных мюонов и нейтрино высоких энергий. Дис. … к.ф.-м.н. Иркутск: ИГУ, 1999. 129 с.
7. Aartsen M.G. et al. (IceCube Collaboration). First observation of PeV-energy neutrinos with IceCube // Phys. Rev. Lett. 2013а. V. 111.P. 021103. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett. 111.021103.
8. Aartsen M.G. et al. (IceCube Collaboration) Evidence for high-energy extraterrestrial neutrinos at the IceCube detector // Science. 2013b. V. 342.P. 1242856.DOIhttps://doi.org/10.1126/science.1242856.
9. 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.
10. 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:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.101101.
11. 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:https://doi.org/10.1103/PhysRevD.91.022001.
12. 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. DOIhttps://doi.org/10.1140/epjc/s10052-015-3330-z.
13. 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). DOIhttps://doi.org/10.1103/PhysRevD.91.122004.
14. 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. DOIhttps://doi.org/10.1103/PhysRevD.83.012001.
15. 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:https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-013-2606-4.
16. Ahn Eun-Joo et al. Cosmic ray interaction event generator SIBYLL 2.1 // Phys. Rev. D. 2009. V. 80. P. 094003. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevD.80.094003.
17. Bugaev E.V. et al. Prompt leptons in cosmic rays // Nuovo Cim. C. 1989. V. 12. P. 41-73. DOI: 10.1007/ BF02509070.
18. Gaisser Т. Spectrum of cosmic-ray nucleons, kaon production, and the atmospheric muon charge ratio // Astropart. Phys. 2012. V. 24. P. 801-806. DOI:https://doi.org/10.1016/j.astropartphys. 2012.02.010.
19. 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.
20. 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:https://doi.org/10.1016/S0920-5632(96)00846-8.
21. 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:https://doi.org/10.1016/j.astropartphys.2008.09.008.
22. 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.
23. 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.
24. Ostapchenko S. Hadronic interactions at cosmic ray energies // Nucl. Phys. B (Proc. Suppl.) 2008. V. 175-176. P. 73-80.
25. 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.
26. 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.
27. 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:https://doi.org/10.1051/0004-6361:20065108.
