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ISSN: 2320 - 2459
1大学物理系,政府。对于女性来说,硕士路斯利那加,印度190 001
收到的日期:08/08/2017;接受日期:02/03/2018;发布日期:12/03/2018
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中微子截面的原子核和核所有从电动汽车能量尺度GeV之外非常小和不确定性涌入也大。此外,有很多流程,同时有助于中微子交互横断面图。这使得数据和理论预测的分析更具挑战性。但至关重要的是要知道截面作为基本输入中微子振荡和日益增长的追求即的信号。,最终的状态。这项研究涵盖了中微子交互的结果从兆电子伏GeV尺度的能量通过使用mono-energetic,仅支持中微子光束在不同阶段与不同的目标的分析重点是实验结果。在目前的贡献,我们使用NuWro,一个新的中微子蒙特卡罗生成器,生成事件和计算截面neutrino-nucleus交互。
横截面,介子生产、Neutrino-nucleus交互,中微子振荡,中微子质量,混合
推进我们的理解的中微子振荡参数需要建设一个更完整的中微子交互。这带来了一系列重要的理论和实验的挑战。在这种背景下中微子事件生成器是理论和实验之间的一个接口,这些中微子研究的相互作用中扮演着重要的角色从概念的实验最终的物理出版。一些重要的中微子事件生成器基于蒙特卡洛模拟NuWro [1]。事件生成器的目的是评估的可行性提出了一些实验优化检测器的设计,分析收集到的数据样本和评估系统误差,因此评估其物理实现。使用模拟让我们检查比我们原本可以做的更复杂的系统。例如,它可能看起来相当简单解决的方程描述的两个原子之间的相互作用,但数百或数千个原子,它不是那么容易解决相同的方程。与大型系统可以模拟抽样的随机配置和数据可以用来描述系统作为一个整体。这使得中微子事件生成器令人印象深刻的多态的工具。
本研究进行了NuWro [1)这是一个相对较新的蒙特卡罗生成器。它处理所有重要过程neutrino-nucleus交互以及hadronization由于深度非弹性散射(DIS)和核内级联。它是简单的、复杂的和重量轻但全功能和作为一个工具来评估各种理论模型的相关性目前被调查(2]。NuWro围绕该事件结构它包含三个向量的粒子即;传入的,暂时的,外向。它还包含一个结构使用的所有参数和一组布尔ags标记事件作为准弹性(QE),共振兴奋的散射(RES),深度非弹性散射(DIS),充电电流(CC),中性线电流(NC)等输入参数读取从文本勒在启动和事件存储在根树勒进一步简化分析。NuWro的作者的主要动机是有工具来调查核e格式直接观测量的影响的最终状态交互包括在内。现在,NuWro模拟所有必要的交互,可以用于实验。例如,它已经包含在伊卡洛斯实验(3)的任务提高茶+丙烯酰胺单介子生产地区代码。
NuWro遵循其他已知的基本算法编码如中性粒细胞,细微差别,NEUGEN /精灵等等。为了方便比较,NuWro允许运行模拟选择容易的值参数,设置的形式因素,原子核模型等的重要特性NuWro: ne hadronization模型(4),描述的共振区域没有Rein-Sehgal方法(5)和实现谱函数的改进对费米气体模型(6]。NuWro只是一台发电机的交互。中微子是选择的根据信息梁和目标选择的(核或自由核子)。这是紧随其后的是核的选择模型,如(费米气体,当地密度近似,有效的潜力,谱函数)和国米核级联是开启。像大多数的中微子事件生成器NuWro基于脉冲近似方案根据中微子反应主要发生在一个衡量的核子的目标核其次是最终状态交互(FSI)由于传播的强子通过核之前检测到这些。NuWro FSI代码最近整合与Oset模型(7),选择核内的中微子交互点根据核物质密度。
中微子截面是所有中微子实验的一个重要组成部分。兴趣微中子散射的研究增加了由于需要此类信息的中微子振荡的解释数据。充电电流(CC)和中性线电流(NC)交互渠道,中微子散射结果已经收集了几十年的各种目标和分析技术,也为不同的探测器技术。新和强烈的加速器中微子实验如没有(8),米诺斯,迷你布恩等,已经建立了中微子振荡调查。这些实验是re-measuring合并的中微子截面核效果和改善微中子通量的计算。传统的微中子散射测量提供了一个洞察核子结构和标准模型。而作为电子散射测量发现了许多秘密的核结构,但并不是所有的奥秘已经解决。中微子,因为这些样本的核子的夸克和一个原子核不同于带电轻子,可以提供新的见解核环境。此外,中微子实验需要有非常强烈,很好理解梁和ne-grained探测器以统计和系统误差最小化。虽然之前的实验从气泡室时代(70年代- 80年代)测量中微子与精密检测技术,但这些都是受限于低统计和大流量的不确定性。在90年代和80年代,中微子散射测量移动到更高的能量来探测核子结构和获得更高的统计数字,但在最近的过去,使中微子振荡测量光束能量低,在振荡区域感兴趣的空间,如在T2K9]。还有一个需要这些中微子振荡实验来确定更准确的信号和背景利率中微子探测器已引发极大的兴趣在最初几个GeV能量范围的相互作用。这样的测量没有更新几十年来,第一次在泡沫和火花室测量实验。因此越来越多的测量是急需对于现在和未来中微子振荡实验操作在这个能量范围。
此外,中微子的难以捉摸的性质和检测的内在困难创造了许多错误的信号。中微子的探测是推断粒子产生间接的在这个过程中,如果发生任何交互。作为一个例子,如果一个vμ一个中子散射quasi-elastically,剩下一个μ介子和质子
这意味着我们需要建立低mas探测器极其不跟踪能力。然而,由于中微子截面的极其微小的大小,实际上建造探测器有大尺寸和高质量有足够的事件执行有用的研究。
neutrino-nucleus交互截面的测量是一个相对较新的领域的研究旨在了解中微子的光秃秃的交互通过简单的目标与质子和中子氢和氘。然而,由于振荡实验等新星(10]。火灾探测器kton-scale远,这些必须使用重目标,如碳、铁、重水或氩。许多上述实验的核心,是中微子的需要与其他标准模型粒子进行交互。因此准确预测neutrino-nucleus截面需要在正在进行的和未来的分析实验研究中微子反应在中间的能量,也就是说,能量超出了核共振区域。的能量光谱自然产生的中微子从分数电子伏特,跨越了一个令人印象深刻的范围。相关的各种各样的中微子能量和趋势研究neutrino-nucleus互动增加能量呼吁相对论运动学和很自然的使用也为相对论模型如相对论费米气体(RFG)模型(11毫无关系的原子核的,经常合并的标准工具蒙特卡罗加速器中微子事件生成器和宇宙的粒子中微子实验。通常近似用于计算neutrino-nucleus截面从理论模型,即脉冲近似方案(12)已被证明是可靠的预测neutrinonucleus散射。最终状态交互(FSI)意味着有一个相当大的影响的截面中微子的能量几千兆电子伏。FSI是RFG但是没有计算的需要,因此,这也就不足为奇了ne-tuning RFG参数模型为了繁殖实验数据。因此,提高计算的最终状态交互(FSI)由一些团体(13]。
测量中微子交互横断面图
一般横截面是指一片或一个区域对象的目标但亚原子粒子是如此之小,单个粒子在对方是不可能的。拍摄最好的任何人都可以做的是很多人在同一个区域。例如,当粒子物理学家top-antitop截面测量与质子间的,他们是计算有多少top-antitop双时创建一个给定数量的质子是红色的。对于中微子,问题更糟;因为这些不与宇宙中其他粒子即使只有一秒钟后的大爆炸(14]。这是因为这些energy-per-particle甚至低于了光子,电子/正电子对仍在。中微子只有弱力交互:因此反应截面比其他粒子小得多的物种。电子中微子的弹性散射电子可以由带电和中性弱玻色子(W和Z),而μ介子的散射和τ中微子从电子介导的中性的玻色子。因此,总截面是不同的。
执行任何与中微子的测量,我们需要能够生产他们人为。传统的中微子光束在一样中微子从宇宙射线的交互。一个质子同步加速器提供的高能质子束在一个固定的目标创建一个π介子束和k中介子。π介子衰变分支比的μ介子和缪子中微子100%15]。同样k中介子衰变μ介子和缪子中微子分支分数的63%。
并发症是μ介子可以衰变产生电子中微子哪一个可能不希望在一个纯梁。
因此,隧道尽头的衰变是一个长期的保护旨在吸收介子没有腐烂,停止收取μ介子束,只让中微子。
可以确定中微子能谱的运动学双体介子衰变。中微子的能量E的角度在实验室框架可以与相同数量的介子逐
(1)
(2)
最小和最大中微子能量来自中微子是向前和向后发出的情况下,分别在介子其它框架。这是当cosθ* =±1。在这种情况下
和
e = 0.427π为π介子
e = 0.954K对k中介子
我们假设
。因此中微子光谱从传统梁有两个组件,产生的低能量部分梁介子衰变,和更高的能源部分k中介子衰变。中微子中微子束可以产生数百GeV 10兆电子伏之间。规模最终取决于质子束的能量。梁的能量越高,越高介子能源和中微子能量越高。本节讨论的横截面测量结果neutrino-nucleus交互从几兆电子伏到100 GeV的能量通过使用mono-energetic,单一的中微子光束与不同的目标。一直使用NuWro生成的事件和重点一直放在实验结果比较在不同阶段的分析。我们已经开始策划结果的阈能值几兆电子伏寻找电子中微子截面为他们的交互与氧气所示图1。目标的选择是因为它是一个丰富的气体在大气中。截面,因此获得非常虚弱。
图1:使用NuWro电子中微子截面与氧气。
家股份实验在美国(16)是最早检测电子中微子涉及以下反应
每天在电子中微子探测到的数量是由氩原子的数量。E > 0.82兆电子伏的平均截面被发现10 45厘米2 = cl的原子。用这个小截面并不意外,每天只有0.17这样的转换发生。
随后的实验如SNO (17),独立测量更精确的太阳中微子通量,本质上,得出的结论是,太阳中微子,都是电子类型的,不摆动的战斗长度小于地球的直径。此外,人们已经发现,而v的影响非常大e→vμ和ve→vτ振荡但在真空电子中微子的振荡概率和其他支持是减少到50%18]。因此,没有太多的原因的低价值电子中微子截面在最初的几兆电子伏能量可以归因于其振荡从太阳到地球。
在真空中,中微子振荡概率的函数的逆中微子能量。因此技术当前和下一代基于硬件加速的中微子实验如迈诺斯(19)关注中微子的能量几百兆电子伏GeV的少数。情节吸引了图2使我们的横截面测量在100年第一个兆电子伏electronneutrino能源与水(这也是目标的选择在一些实验20.)是廉价和丰富)。模拟截面的趋势因此获得更符合实验结果与不同的目标(21]。
图2:ve量化宽松政策使用NuWro与水的相互作用。
有大量核下如试验研究;质子束停止在洛斯阿拉莫斯介子物理设备(22)被用来研究低能中微子横断面图127。截面对铁目标也一直在探索与低能电子束KARMEN实验(23]。提供两种实验装置的中微子束质子束停止。高能质子碰撞在一个固定的目标产生大π+通量随后停下来允许衰变。大多数的低能中微子从静止衰变产生停止μ+和π+,提供一个良好的中微子束能量低于50兆电子伏。然而,主要的不确定性影响这些截面测量主要源于知识的介子通量产生的proton-target交互。
中微子研究的相互作用在几个- 100伏范围有关超新星中微子,破裂,遗迹中微子,太阳中微子和低能量大气中微子。低能中微子截面特性在不同的模型场景。精确的知识具有包容性和微分截面为反应堆中微子分析,超新星造型,中微子振荡测试,和无数的人。然而,这些截面的直接实验测试的数量非常少。与NuWro截面测量,我们看到neutrino-nucleus交互在阈值能量继续通过只准弹性散射。无论在140伏,更多的交互渠道开始出现在现场,对前几Gev变得重要。neutrino-nucleus交互的理解周围1 - 2 GeV能源是非常重要的在分析中微子振荡实验。这种能量范围也特别感兴趣的是一个跨越地区、不同重要交互通道打开,o,从弹性和准弹性散射(量化宽松政策),通过单介子生产通过共振激发散射(RES)和遇到深度非弹性散射(DIS)。
因此,我们模拟了中微子的交互通过这三个关键过程的能量小于2 GeV并绘制横断面图的μ中微子与碳核的交互。荷电流和中性线电流反应值一直在寻找每个进程。相对应的趋势因此获得这些过程即;量化宽松,RES说所示图3 - 5分别。
图3:vμ使用NuWro量化宽松政策与碳的互动。
图4:vμ使用NuWro RES与碳的互动。
图5:使用NuWro说与碳的互动。
1 GeV中微子的能量,我们也在过渡区,量化宽松和RES过程占主导地位,但还有一个重要的DIS组件被打开为我们增加能量。
第四个通道的交互相干介子生产(正)所示图6也被绘制在我们的结果虽然其截面比其他三个力度较弱。
图6:vμ使用NuWro正与铁的互动。
因此,对于COH截面的测量,我们使用一个更重的目标即铁和增加能量范围50 GeV但过程在横断面图没有任何明显的改善迹象。充电电流的介子中微子反应生产是一种罕见的和鲜为人知。在这个过程中一个中微子散射o整个核前后一致地产生一个非常前卫的介子和转移很少或根本没有能量核。中性线电流的模拟是一个外表背景大不确定性电子振荡测量(24]。另一方面,充电电流模拟直到最近才看到在高能中微子实验但不像K2K 1 GeV实验。
我们的讨论的大部分都集中在核子散射的测量。这些参数也到散射,除了一个关键的差异,反应是严重的能量阈值改变,因为大型轻子质量(25]。缪子中微子也优于电子中微子的实验研究,因为它们比以后更丰富。然而,电子的截面公式和τ中微子muonneutrinos是一样的。
有足够的准弹性的理论描述,共振调解,已制定和深度非弹性散射在这些年中,然而,没有全球统一的描述,描述了这些过程之间的过渡或应该如何组合这些。此外,完整的核e敬重程度影响这个区域是一个话题,最近才被赞赏。
T2K的能量和新星,信号的准弹性过程构成大部分人口。这些的特点是轻子和核子的出现在最后的状态。
有兴趣重燃的测量和建模量化宽松对核目标散射。在这种情况下,条款中描述的核通常参与的个人衡量的核子散射过程。大部分的中微子实验用相对论费米气体模型(26)当模拟量化宽松散射事件,尽管许多其他独立粒子方法近年来发展,把更先进的治疗方法。
下一个最重要的过程是带电介子生产。切伦科夫探测器实验或次投影室(TPC),这个过程可以冒充一个背景因为发现介子在细胞核,它可以吸收它想进入活跃的探测器材料因此可以导致中微子能量测量模棱两可。带电介子吸收或得到转化为中性介子通过:
中性介子的生产,尽管可能不如带电介子生产仍然可以贡献必须well-simulated背景下的外观搜索和电子中微子。最后,深度非弹性散射(DIS)事件还可以提供中性的π介子的丰富来源可能污染一个电子中微子外观测量,因此必须了解这些通道。由于这些相互竞争的过程中,中微子交互的产品包括各种各样的最终状态从排放的核子到更复杂的最终状态包括π介子,k中介子,介子的集合。此外neutrino-nucleon散射的截面为轻子不是很准确地称为反应。这是由于穷人核子理论知识的形成因素。
三个重要的交互渠道即;准弹性散射(QE)、单介子生产(SPP)通过共振激发散射和深度非弹性散射(DIS),后来在其他两个完全在中间和更高的能量。这是因为一些gev,中微子散射等复合实体的核子或核但考虑到足够的能量,中微子可以开始解决目标的内部结构。此外,正如我们从低能中微子交互运输到更高的能量,我们的方法主要是关注在任何国家和特定目标的散射是否这是一个核,核子或帕顿。理论上这种方法并不是偶然的,因为它是一个定义明确的问题目标成分单独对待。因此也承认,这种方法是有限的,因为它是无法将整个原子核。这是原因,低能的域和高能物理方法和术语显得如此杂乱。直到一个完整的,全面的模型,整个neutrinotarget交互制定,我们限制遵循这种方法。而低能量的描述政权利用方法和基本粒子理论,有效的高龄或微观模型壳模型等理论,费米气体的基础理论描述高能政权。最常见的高能交互进行深度非弹性散射(DIS)的中微子在核子散射了夸克通过交换虚拟W±或Z0玻色子生产轻子和强子系统的最终状态。夸克不能单独检测到这些快速重组,从而出现如强子淋浴用X。
的图7显示了说我们的横截面测量过程与铁和质子的目标。横断面图的线性相关的中微子能量中表现出较高的范围是一个骗局形成夸克帕顿模型的预测。这是因为随着能量的增加,中微子开始调查细胞核核子自由度。有一点像散射(一对一互动)夸克导致中微子横截面的线性相关。这个线性分解在低能量下,因为核效应的传感弹。对于量化宽松和RES流程,截面饱和对增加能量所示我们的测量图8对于一个重(铁)和目标图9对于较轻的目标(氧气)。
图7:vμ与铁和质子相互作用目前指控说过程。
图8:横截面v的饱和μ使用NuWro与铁的互动。
图9:横截面v的饱和μ使用NuWro交互与氧气。
正如预期的那样,我们观察一个线性阻尼的增加截面形式因素在更高的中微子能量。出乎意料的是之间的差异观察最近的测量,主要是由于核e脉冲近似方法以外的颜色。这样的前景是可观的,不是广为人知,并最终使中微子交互的描述。
在过去的几年中,许多新的结果被释放在每个上述互动的渠道通过使用几种不同的目标核。这些结果与理论预测往往不一致甚至从那些锚定氢氘或测量。新测量开始给新提示需要改善的理论家的理论描述中微子交互,最终将为精密振动测量。中微子实验因此开始重新测量绝对量化宽松散射截面利用更可靠的中微子使用可用在现代实验设置。
在研究neutrino-nucleus互动过程中,我们假设原子核是由衡量的核子(脉冲近似方案),就像在费米气体(FG)模型。动量转移的典型值是1 GeV能量足够大的区域,因此脉冲近似可以作为一个可靠的近似。然而,在包容的中微子测量总有低动量转移的一个重要部分显然CCQE事件和一个不能确定这些描述的正确方法。解决这一问题可以实施适当的削减动量转移。这样的实验主义者寻找QE-like变得相当明显的事件指定一个条件没有介子的最终状态。
不确定性和预测
中微子没有其他财产,这些必须有质量变化为另一个支持。但是如果有一些财产以外的质量变化给不同的好处。发现的财产可能项目中微子暗物质暗能量而不是候选人。有一些重要的思考这条线的方法。一是中微子不像解决目前最喜欢的宇宙学家暗物质的问题,因为在他们的计算这些没有足够的集群。另一个是通过分配质量我们离开衰变违反质量守恒定律仍下落不明。另一个迹象是,极小值的中微子与物质相互作用截面,在从低到高的能量,可能有一些深刻的影响。还有一个惊人的巧合
(3)
在哪里时间独立的暗能量密度和宇宙学常数。问题是如果有一个空的空间和中微子的能量之间的关系?
一种可能性是认为暗能量与一阶关联的潜热过渡尚未完成。如果潜热与一个潜在的和一个标量古人进行自发对称性破(在此过程中给中微子质量),还有可能是一个自然的解释上述的巧合。
遗迹中微子可以被视为自然暗能量如果这些候选人通过一个新的力量由轻标量交互古人的黑暗领域。这个主意很有吸引力,证实了主机的参数。中微子是唯一没有右手的费米子组件和中微子振荡的发现以来,深入了解中微子部门包括起源的中微子质量需要物理学标准模型之外。如果违反了轻子数,左撇子通常假定中微子与黑暗右手中微子混合从而获得小群众通过跷跷板机制。因此,这些意味着中微子是打开一个新窗口的独一无二的能力黑暗的部门。此外,有关中微子质量的平方规模差异从中微子振荡实验确定,m2 (10 2 ev) 2,是小的订单的规模与暗能量密度有关,(2 10 3 ev) 4。
另一方面,宇宙常数项也显著提高了协议理论和观察,最引人注目的例子是最近e支持测量宇宙膨胀的多少改变了过去几十亿年。一般,有两种相反力量之间的竞争即;宇宙中物质的引力施加和扩张的大爆炸。在e支持测量多少宇宙扩张放缓过去几十亿年,它已成为天文学家观察实际非常明亮的罕见的恒星叫做超新星。这些观察的结果表明,宇宙膨胀加速,或加速。这些初步结果,提出了一种可能性,宇宙包含一个奇异的物质或能量形式,实际上,引力让人反感。这个迄今为止未知的能源必须均匀分布,在最好的情况下可以随时间慢时变为了使观察到后期数据加速度,并且必须以抵消的负压重力。这种类型的宇宙常数是一个例子的能量。然而,很多工作仍是阐明这个谜。
这项工作是为了提供一个全面研究neutrino-nucleus交互横断面图。我们的讨论范围从兆电子伏GeV能量尺度,因此跨越广泛的基本物理过程,理论计算和实验测量。这种能量范围是很重要的,因为天然太阳能和大气中微子t这个能量范围。而大气中微子携带兆电子伏能量,大气中微子GeV范围。研究neutrino-nucleus的相互作用在最初的几兆电子伏100 GeV能源地区,我们生成一个mono-energetic单支持中微子束在每一个分析的新阶段。目前的研究在某种程度上有助于提高地下探测器发现潜力确定中微子性质。其中一个最简单的方法来了解中微子研究的各种特征与原子核相互作用。保持视图这样的研究的重要性,试图在本研究测量截面为各种中微子交互过程与不同的目标。用来测试结果的预测控制Sehgal模型并验证旧的实验测量。虽然我们的结果不提高精度,但这些地区作为一个有用的交叉检查与测量。因此更多的互动渠道我们可以测量和更多不同的核测试,更好的我们可以理解中微子和细胞核这些交互。
我们非常感谢Sobczyk J理论物理研究所的,波兰弗罗茨瓦夫富有成果的交流与他不时导致克什米尔大学发起这种类型的研究。
