Vật lý tương tác neutrino trong các kính thiên văn neutrino

The European Physical Journal Special Topics - 2021
T. Katori1, J. P. Yañez2, Tianlu Yuan3
1Department of Physics, King’s College London, London, UK
2Department of Physics, University of Alberta, Edmonton, Canada
3Department of Physics and Wisconsin IceCube Particle Astrophysics Center, University of Wisconsin, Madison, USA

Tóm tắt

Tóm tắtCác kính thiên văn neutrino có thể quan sát các tương tác neutrino bắt đầu từ năng lượng GeV bằng cách lấy mẫu một phần nhỏ của bức xạ Cherenkov được tạo ra bởi các hạt phụ thứ cấp mang điện. Các thí nghiệm này lắp đặt các thể tích đủ lớn để thu thập các mẫu neutrino đáng kể lên đến thang năng lượng TeV cũng như các mẫu nhỏ ở thang năng lượng PeV. Khả năng độc đáo của các kính thiên văn neutrino đã được tận dụng để nghiên cứu các tính chất của các tương tác neutrino trong các dải năng lượng không thể tiếp cận được với các chùm tia do con người tạo ra. Ở đây, chúng tôi trình bày các phương pháp và kết quả thu được từ IceCube, kính thiên văn neutrino tiên tiến nhất đang hoạt động, và đưa ra cái nhìn tổng quát về tương lai của lĩnh vực này.

Từ khóa

#tương tác neutrino #kính thiên văn neutrino #bức xạ Cherenkov #năng lượng GeV #năng lượng TeV #năng lượng PeV #nghiên cứu neutrino

Tài liệu tham khảo

U.F. Katz, C. Spiering, Prog. Part. Nucl. Phys. 67, 651 (2012). arXiv:1111.0507

S.L. Glashow, Phys. Rev. 118, 316 (1960)

J.A. Formaggio, G.P. Zeller, Rev. Mod. Phys. 84, 1307 (2012). arXiv:1305.7513

S.F. Ge, M. Lindner, W. Rodejohann, Phys. Lett. B 772, 164 (2017). arXiv:1702.02617

M.G. Aartsen et al. (IceCube), JINST 12, P03012 (2017). arXiv:1612.05093

M.G. Aartsen et al. (IceCube), Phys. Rev. D 99, 032007 (2019). arXiv:1901.05366

R. Abbasi et al. (IceCube), Astropart. Phys. 35, 615 (2012). arXiv:1109.6096

R.C. Bay, R.A. Rohde, P.B. Price, N.E. Bramall, J. Geophys. Res. Atmos. 115, D14126 (2010)

M.G. Aartsen et al. (IceCube), Nucl. Instrum. Methods A 711, 73 (2013). arXiv:1301.5361

M.G. Aartsen et al. (IceCube), JINST 9, P03009 (2014). arXiv:1311.4767

M.G. Aartsen et al. (IceCube-Gen2), J. Phys. G 48, 060501 (2021). arXiv:2008.04323

A. Terliuk, Ph.D. thesis, Humboldt U., Berlin (2018)

S. Blot, Neutrino oscillation measurements with IceCube (2020). https://doi.org/10.5281/zenodo.4156203

M.P. Kowalski, Ph.D. thesis, Humboldt U., Berlin (2004)

R. Abbasi et al. (IceCube), JINST 16, P08034 (2021). arXiv:2103.16931

R. Abbasi et al. (IceCube), Nucl. Instrum. Methods A 703, 190 (2013). arXiv:1208.3430

M.G. Aartsen et al. (IceCube), Phys. Rev. D 91, 072004 (2015). arXiv:1410.7227

J.P. Yanez Garza, Ph.D. thesis, Humboldt U., Berlin (2014)

M.G. Aartsen et al. (IceCube), Phys. Rev. Lett. 120, 071801 (2018). arXiv:1707.07081

M.G. Aartsen et al. (IceCube), Phys. Rev. D 93, 022001 (2016). arXiv:1509.06212

M. Usner, Ph.D. thesis, Humboldt U., Berlin (2018). https://edoc.hu-berlin.de/handle/18452/20228

R. Abbasi et al. (IceCube) (2020). arXiv:2011.03561

S.W. Li, M. Bustamante, J.F. Beacom, Phys. Rev. Lett. 122, 151101 (2019). arXiv:1606.06290

A.K. Steuer, Ph.D. thesis, Mainz U. (2018)

M. Conversi, Phys. Rev. 79, 749 (1950)

K. Singhal, Determination of charge ratio of low energy cosmic ray muons, in International Cosmic Ray Conference, vol. 7 (1983), p. 27

A. Knecht, A. Skawran, S.M. Vogiatzi, Eur. Phys. J. Plus 135, 777 (2020). arXiv:2004.03314

C.A. Argüelles, A. Schneider, T. Yuan, JHEP 06, 030 (2019). arXiv:1901.04645

D. Chirkin (2013). arXiv:1304.0735

M.G. Aartsen et al. (IceCube), JCAP 10, 048 (2019). arXiv:1909.01530

L. Alvarez-Ruso et al. (NuSTEC), Prog. Part. Nucl. Phys. 100, 1 (2018). arXiv:1706.03621

C. Andreopoulos et al., Nucl. Instrum. Methods A 614, 87 (2010). arXiv:0905.2517

D. Rein, L.M. Sehgal, Ann. Phys. 133, 79 (1981)

D. Rein, L.M. Sehgal, Nucl. Phys. B 223, 29 (1983)

M. Glück, E. Reya, A. Vogt, Eur. Phys. J. C 5, 461 (1998). arXiv:hep-ph/9806404

A. Bodek, U.K. Yang, J. Phys. G 29, 1899 (2003). arXiv:hep-ex/0210024

A. Bodek, U.K. Yang, AIP Conf. Proc. 670, 110 (2003). arXiv:hep-ex/0301036

A. Bodek, I. Park, U.K. Yang, Nucl. Phys. B Proc. Suppl. 139, 113 (2005). arXiv:hep-ph/0411202

Z. Koba, H.B. Nielsen, P. Olesen, Nucl. Phys. B 40, 317 (1972)

T. Sjostrand, S. Mrenna, P.Z. Skands, JHEP 05, 026 (2006). arXiv:hep-ph/0603175

T. Yang, C. Andreopoulos, H. Gallagher, K. Hoffmann, P. Kehayias, Eur. Phys. J. C 63, 1 (2009). arXiv:0904.4043

J. Tena-Vidal et al. (GENIE) (2021). arXiv:2106.05884

C. Andreopoulos et al. (NuSTEC), Summary of the NuSTEC workshop on shallow- and deep-inelastic scattering, in NuSTEC Workshop on Shallow- and Deep-Inelastic Scattering (2019). arXiv:1907.13252

M. Sajjad Athar, J.G. Morfín, J. Phys. G 48, 034001 (2021). arXiv:2006.08603

C. Wilkinson et al., Phys. Rev. D 93, 072010 (2016). arXiv:1601.05592

M.A. Acero et al. (NOvA, R. Group), Eur. Phys. J. C 80, 1119 (2020). arXiv:2006.08727

J. Tena-Vidal et al. (GENIE), Phys. Rev. D 104, 072009 (2021). https://doi.org/10.1103/PhysRevD.104.072009

J. Mousseau et al. (MINERvA), Phys. Rev. D 93, 071101 (2016). arXiv:1601.06313

M. Hirai, S. Kumano, T.H. Nagai, Phys. Rev. C 76, 065207 (2007). arXiv:0709.3038

M. Cacciari, G.P. Salam, S. Sapeta, JHEP 04, 065 (2010). arXiv:0912.4926

I. Schienbein, J.Y. Yu, K. Kovarik, C. Keppel, J.G. Morfin, F. Olness, J.F. Owens, Phys. Rev. D 80, 094004 (2009). arXiv:0907.2357

D. de Florian, R. Sassot, P. Zurita, M. Stratmann, Phys. Rev. D 85, 074028 (2012). arXiv:1112.6324

A. Cooper-Sarkar, P. Mertsch, S. Sarkar, JHEP 08, 042 (2011). arXiv:1106.3723

H.L. Lai, M. Guzzi, J. Huston, Z. Li, P.M. Nadolsky, J. Pumplin, C.P. Yuan, Phys. Rev. D 82, 074024 (2010). arXiv:1007.2241

A. Cooper-Sarkar (H1, ZEUS), Proton structure from HERA to LHC, in 40th International Symposium on Multiparticle Dynamics (2010). arXiv:1012.1438

R. Gauld, J. Rojo, Phys. Rev. Lett. 118, 072001 (2017). arXiv:1610.09373

V. Bertone, R. Gauld, J. Rojo, JHEP 01, 217 (2019). arXiv:1808.02034

A. Garcia, R. Gauld, A. Heijboer, J. Rojo, JCAP 09, 025 (2020). arXiv:2004.04756

S.R. Klein, S.A. Robertson, R. Vogt, Phys. Rev. C 102, 015808 (2020). arXiv:2001.03677

K.J. Eskola, P. Paakkinen, H. Paukkunen, C.A. Salgado, Eur. Phys. J. C 77, 163 (2017). arXiv:1612.05741

T.K. Gaisser, M. Honda, Annu. Rev. Nucl. Part. Sci. 52, 153 (2002). arXiv:hep-ph/0203272

T.K. Gaisser, S.R. Klein, Astropart. Phys. 64, 13 (2015). arXiv:1409.4924

M.G. Aartsen et al. (IceCube), Eur. Phys. J. C 75, 116 (2015). arXiv:1409.4535

T.K. Gaisser, Astropart. Phys. 35, 801 (2012). arXiv:1111.6675

A. Fedynitch, F. Riehn, R. Engel, T.K. Gaisser, T. Stanev, Phys. Rev. D 100, 103018 (2019). arXiv:1806.04140

M.G. Aartsen et al. (IceCube), Phys. Rev. Lett. 114, 171102 (2015). arXiv:1502.03376

M.G. Aartsen et al. (IceCube), Astrophys. J. 809, 98 (2015). arXiv:1507.03991

M.G. Aartsen et al. (IceCube), Phys. Rev. D 99, 032004 (2019). arXiv:1808.07629

Y. Farzan, A.Y. Smirnov, Nucl. Phys. B 805, 356 (2008). arXiv:0803.0495

C.A. Argüelles, T. Katori, J. Salvado, Phys. Rev. Lett. 115, 161303 (2015). arXiv:1506.02043

M. Bustamante, J.F. Beacom, W. Winter, Phys. Rev. Lett. 115, 161302 (2015). arXiv:1506.02645

R. Abbasi et al. (IceCube), Phys. Rev. D 104, 022002 (2021). arXiv:2011.03545

M.G. Aartsen et al. (IceCube), Nature 551, 596 (2017). arXiv:1711.08119

A.M. Dziewonski, D.L. Anderson, Phys. Earth Planet. Inter. 25, 297 (1981)

K. Abe et al. (T2K), Nature 580, 339 (2020). arXiv:1910.03887 [Erratum: Nature 583, E16 (2020)]

M.A. Acero et al. (NOvA), Phys. Rev. Lett. 123, 151803 (2019). arXiv:1906.04907

M. Jiang et al. (Super-Kamiokande), PTEP 2019, 053F01 (2019). arXiv:1901.03230

A. Donini, S. Palomares-Ruiz, J. Salvado, Nat. Phys. 15, 37 (2019). arXiv:1803.05901

M. Tzanov et al. (NuTeV), Phys. Rev. D 74, 012008 (2006). arXiv:hep-ex/0509010

S. Mandalia, Ph.D. thesis, Queen Mary, University of London (main) (2020)

T. Katori, S. Mandalia, J. Phys. G 42, 115004 (2015). arXiv:1412.4301

M. Honda, T. Kajita, K. Kasahara, S. Midorikawa, T. Sanuki, Phys. Rev. D 75, 043006 (2007). arXiv:astro-ph/0611418

M.G. Aartsen et al. (IceCube), Astrophys. J. 833, 3 (2016). arXiv:1607.08006

M.G. Aartsen et al. (IceCube), Science 342, 1242856 (2013). arXiv:1311.5238

M.G. Aartsen et al. (IceCube), Phys. Rev. Lett. 115, 081102 (2015). arXiv:1507.04005

M. Bustamante, A. Connolly, Phys. Rev. Lett. 122, 041101 (2019). arXiv:1711.11043

R. Abbasi et al. (IceCube), Phys. Rev. D 104, 022001 (2021). arXiv:2011.03560

C.A. Argüelles, F. Halzen, L. Wille, M. Kroll, M.H. Reno, Phys. Rev. D 92, 074040 (2015). arXiv:1504.06639

M.G. Aartsen et al. (IceCube), Phys. Rev. Lett. 111, 021103 (2013). arXiv:1304.5356

C. Kopper, PoS ICRC2017, 981 (2017)

C. Kopper, W. Giang, N. Kurahashi, PoS ICRC2015, 1081 (2016)

C.A. Argüelles Delgado, J. Salvado, C.N. Weaver, Comput. Phys. Commun. 196, 569 (2015). arXiv:1412.3832

A. Loewy, S. Nussinov, S.L. Glashow (2014). arXiv:1407.4415

V.S. Berezinsky, A.Z. Gazizov, JETP Lett. 25, 254 (1977)

M.G. Aartsen et al. (IceCube), Nature 591, 220 (2021) [Erratum: Nature 592, E11 (2021)]

D. Seckel, Phys. Rev. Lett. 80, 900 (1998). arXiv:hep-ph/9709290

I. Alikhanov, Phys. Lett. B 756, 247 (2016). arXiv:1503.08817

B. Zhou, J.F. Beacom, Phys. Rev. D 101, 036011 (2020). arXiv:1910.08090

W. Altmannshofer, S. Gori, M. Pospelov, I. Yavin, Phys. Rev. Lett. 113, 091801 (2014). arXiv:1406.2332

G. Magill, R. Plestid, Phys. Rev. D 95, 073004 (2017). arXiv:1612.05642

P. Ballett, M. Hostert, S. Pascoli, Y.F. Perez-Gonzalez, Z. Tabrizi, R. Zukanovich Funchal, JHEP 01, 119 (2019). arXiv:1807.10973

W. Altmannshofer, S. Gori, J. Martín-Albo, A. Sousa, M. Wallbank, Phys. Rev. D 100, 115029 (2019). arXiv:1902.06765

B. Zhou, J.F. Beacom, Phys. Rev. D 101, 036010 (2020). arXiv:1910.10720

A. Ishihara (IceCube), PoS ICRC2019, 1031 (2021). arXiv:1908.09441

T. Stuttard (IceCube), PoS NuFact2019, 099 (2020)

M.G. Aartsen et al. (IceCube), Nucl. Instrum. Methods A 977, 164332 (2020). arXiv:1803.05390

M.G. Aartsen et al. (IceCube), Eur. Phys. J. C 80, 9 (2020). arXiv:1902.07771

D. Saltzberg, P. Gorham, D. Walz, C. Field, R. Iverson, A. Odian, G. Resch, P. Schoessow, D. Williams, Phys. Rev. Lett. 86, 2802 (2001). arXiv:hep-ex/0011001

S. Prohira et al., Phys. Rev. Lett. 124, 091101 (2020). arXiv:1910.12830

S.R. Klein, Probing high-energy interactions of atmospheric and astrophysical neutrinos (2020). arXiv:1906.02221

P. Jain, D.W. McKay, S. Panda, J.P. Ralston, Phys. Lett. B 484, 267 (2000). arXiv:hep-ph/0001031

J. Alvarez-Muniz, J.L. Feng, F. Halzen, T. Han, D. Hooper, Phys. Rev. D 65, 124015 (2002). arXiv:hep-ph/0202081

I. Romero, O. Sampayo, JHEP 05, 111 (2009). arXiv:0906.5245

J. Ellis, K. Sakurai, M. Spannowsky, JHEP 05, 085 (2016). arXiv:1603.06573

S. Desai et al. (Super-Kamiokande), Astropart. Phys. 29, 42 (2008). arXiv:0711.0053

B. Abi et al. (DUNE), JINST 15, T08008 (2020). arXiv:2002.02967

K. Abe et al. (Hyper-Kamiokande) (2018). arXiv:1805.04163

L. Wan et al. (Super-Kamiokande), Phys. Rev. D 99, 032005 (2019). arXiv:1901.05281

Z. Li et al. (Super-Kamiokande), Phys. Rev. D 98, 052006 (2018). arXiv:1711.09436

S. Adrian-Martinez et al. (KM3Net), J. Phys. G 43, 084001 (2016). arXiv:1601.07459

G. Safronov (Baikal-GVD), PoS ICHEP2020, 606 (2021). arXiv:2012.03373

M. Agostini et al. (P-ONE), Nat. Astron. 4, 913 (2020). arXiv:2005.09493

S. Wissel, Prospects in UHE neutrino astronomy (2020). https://doi.org/10.5281/zenodo.4123869

P.W. Gorham et al. (ANITA), Phys. Rev. Lett. 121, 161102 (2018). arXiv:1803.05088

P.B. Denton, Y. Kini, Phys. Rev. D 102, 123019 (2020). arXiv:2007.10334

Thông tin
Thông tin xuất bản

The European Physical Journal Special Topics

Thông tin tác giả