Mesurer les muons cosmiques : nouvelles perspectives du Super-Kamiokande
Des mesures récentes des muons des rayons cosmiques améliorent la compréhension de la physique des particules et du comportement des neutrinos.
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Table des matières
Les muons des rayons cosmiques sont des particules subatomiques issues des interactions des rayons cosmiques avec l'atmosphère terrestre. Comprendre ces particules est important dans plusieurs domaines, y compris la physique des particules et l'astrophysique. Cet article discute des découvertes clés sur la mesure des muons utilisant le détecteur Super-Kamiokande, qui est situé sous terre au Japon.
C'est Quoi les Muons des Rayons Cosmiques ?
Les muons des rayons cosmiques se forment quand les rayons cosmiques, des particules à haute énergie venant de l'espace, percutent des atomes dans l'atmosphère. Ces collisions produisent différentes particules, y compris les muons. Les muons sont similaires aux électrons, mais plus lourds et instables, se désintégrant en d'autres particules. Ils peuvent atteindre la surface de la Terre et même pénétrer profondément sous terre, ce qui en fait un excellent sujet d'étude.
Pourquoi Mesurer les Muons ?
Mesurer les muons des rayons cosmiques aide les scientifiques à comprendre les propriétés des particules élémentaires et les interactions qui les créent. Ça aide aussi à étudier des phénomènes plus larges, comme les neutrinos atmosphériques, qui sont des particules fantômes pouvant échapper à la Terre et fournir des infos sur des événements cosmiques.
Le Détecteur Super-Kamiokande
Le détecteur Super-Kamiokande (SK) est une grande installation souterraine conçue pour détecter diverses particules, y compris les neutrinos et les muons des rayons cosmiques. Il consiste en un énorme réservoir cylindrique rempli d'eau ultra-pure. Le détecteur utilise des milliers de capteurs de lumière sensibles pour capturer les éclairs de lumière produits quand des particules interagissent avec l'eau.
Collecte de Données
Entre septembre 2008 et juin 2022, le détecteur SK a collecté des données sur les événements de désintégration des muons des rayons cosmiques. Les chercheurs se sont concentrés sur la mesure de deux aspects clés de ces muons : le rapport de charge et la Polarisation. Le rapport de charge fait référence au rapport entre les muons positifs et négatifs, tandis que la polarisation indique l'alignement de la direction du spin du muon avec son mouvement.
Mesure du Rapport de Charge
Le rapport de charge est essentiel car il aide à contraindre le rapport de saveur des neutrinos atmosphériques. Les chercheurs ont mesuré le rapport de charge des muons en analysant les temps de désintégration des muons à l'arrêt. Cela s'est avéré cohérent avec des modèles théoriques d'études précédentes.
Mesure de la Polarisation
La polarisation des muons est un autre aspect critique qui donne des infos sur la production de ces particules. Quand un méson (un type de particule) se désintègre en un muon, ce muon est produit avec une polarisation spécifique qui indique la direction de son mouvement. Le détecteur SK a pu mesurer cette polarisation plus précisément que jamais auparavant.
Résultats des Mesures
Les résultats ont montré que le rapport de charge était cohérent avec le modèle de flux de Honda, qui décrit comment les rayons cosmiques produisent des muons. Cependant, cela a aussi suggéré des écarts avec d'autres modèles, indiquant qu'il y a encore beaucoup à apprendre.
La mesure de la polarisation des muons a fourni la valeur la plus précise jamais enregistrée. Cette précision est essentielle pour améliorer les simulations des neutrinos atmosphériques, qui sont importantes pour comprendre les oscillations de neutrinos.
Importance des Oscillations de Neutrinos
Les neutrinos sont des particules insaisissables qui peuvent changer de types, ou "saveurs", en voyageant, un phénomène connu sous le nom d'oscillation. Comprendre les oscillations de neutrinos est crucial pour la physique fondamentale et pourrait révéler les mystères de l'univers. Les mesures du rapport de charge et de polarisation des muons offrent aux chercheurs des données plus précises pour affiner leurs modèles de comportement des neutrinos.
Le Rôle de l'Atmosphère dans la Production de Muons
Les muons des rayons cosmiques sont principalement produits par la désintégration des pions et kaons résultant d'interactions à haute énergie dans l'atmosphère terrestre. Différents processus contribuent à la production de muons selon l'énergie des rayons cosmiques. À des énergies plus faibles, les pions sont la source dominante, tandis que les kaons deviennent plus significatifs à des énergies plus élevées.
Dépendance Directionnelle des Muons
La direction d'arrivée des muons au détecteur Super-Kamiokande influence leur énergie et leur polarisation. La position souterraine du détecteur lui permet de collecter des données sur des muons venant de différents angles, offrant une vue globale des interactions des rayons cosmiques.
Aspects Techniques de l'Étude
Les chercheurs ont utilisé des techniques de simulation avancées pour prévoir le comportement des muons des rayons cosmiques dans l'atmosphère et leurs interactions dans le détecteur. Ils ont analysé les données selon divers critères de sélection pour s'assurer que les mesures étaient aussi précises que possible.
Défis dans la Détection des Muons
Détecter les muons n'est pas simple. Il y a beaucoup d'événements de fond d'autres particules, ce qui peut brouiller les résultats. Les chercheurs ont développé des méthodes spécifiques pour isoler les véritables événements de muons de ces signaux de fond, améliorant la fiabilité de leurs résultats.
Directions Futures
Les résultats du détecteur Super-Kamiokande peuvent contribuer à des recherches futures, notamment en affinant les modèles de flux de neutrinos atmosphériques et en améliorant notre compréhension des interactions des rayons cosmiques.
Conclusion
Les mesures précises des muons des rayons cosmiques contribuent de manière significative à notre compréhension de la physique fondamentale. Elles fournissent des données essentielles pour les simulations des neutrinos atmosphériques, qui sont cruciales pour explorer le comportement des neutrinos et leurs implications pour l'univers.
La recherche continue dans ce domaine promet de nouvelles découvertes et une compréhension plus profonde des forces qui façonnent notre monde.
Titre: Measurements of the charge ratio and polarization of cosmic-ray muons with the Super-Kamiokande detector
Résumé: We present the results of the charge ratio ($R$) and polarization ($P^{\mu}_{0}$) measurements using the decay electron events collected from 2008 September to 2022 June by the Super-Kamiokande detector. Because of its underground location and long operation, we performed high precision measurements by accumulating cosmic-ray muons. We measured the muon charge ratio to be $R=1.32 \pm 0.02$ $(\mathrm{stat.}{+}\mathrm{syst.})$ at $E_{\mu}\cos \theta_{\mathrm{Zenith}}=0.7^{+0.3}_{-0.2}$ $\mathrm{TeV}$, where $E_{\mu}$ is the muon energy and $\theta_{\mathrm{Zenith}}$ is the zenith angle of incoming cosmic-ray muons. This result is consistent with the Honda flux model while this suggests a tension with the $\pi K$ model of $1.9\sigma$. We also measured the muon polarization at the production location to be $P^{\mu}_{0}=0.52 \pm 0.02$ $(\mathrm{stat.}{+}\mathrm{syst.})$ at the muon momentum of $0.9^{+0.6}_{-0.1}$ $\mathrm{TeV}/c$ at the surface of the mountain; this also suggests a tension with the Honda flux model of $1.5\sigma$. This is the most precise measurement ever to experimentally determine the cosmic-ray muon polarization near $1~\mathrm{TeV}/c$. These measurement results are useful to improve the atmospheric neutrino simulations.
Auteurs: H. Kitagawa, T. Tada, K. Abe, C. Bronner, Y. Hayato, K. Hiraide, K. Hosokawa, K. Ieki, M. Ikeda, J. Kameda, Y. Kanemura, R. Kaneshima, Y. Kashiwagi, Y. Kataoka, S. Miki, S. Mine, M. Miura, S. Moriyama, Y. Nakano, M. Nakahata, S. Nakayama, Y. Noguchi, K. Okamoto, K. Sato, H. Sekiya, H. Shiba, K. Shimizu, M. Shiozawa, Y. Sonoda, Y. Suzuki, A. Takeda, Y. Takemoto, A. Takenaka, H. Tanaka, S. Watanabe, T. Yano, S. Han, T. Kajita, K. Okumura, T. Tashiro, T. Tomiya, X. Wang, S. Yoshida, G. D. Megias, P. Fernandez, L. Labarga, N. Ospina, B. Zaldivar, B. W. Pointon, E. Kearns, J. L. Raaf, L. Wan, T. Wester, J. Bian, N. J. Griskevich, S. Locke, M. B. Smy, H. W. Sobel, V. Takhistov, A. Yankelevich, J. Hill, M. C. Jang, S. H. Lee, D. H. Moon, R. G. Park, B. Bodur, K. Scholberg, C. W. Walter, A. Beauchêne, O. Drapier, A. Giampaolo, Th. A. Mueller, A. D. Santos, P. Paganini, B. Quilain, R. Rogly, T. Nakamura, J. S. Jang, L. N. Machado, J. G. Learned, K. Choi, N. Iovine, S. Cao, L. H. V. Anthony, D. Martin, N. W. Prouse, M. Scott, A. A. Sztuc, Y. Uchida, V. Berardi, N. F. Calabria, M. G. Catanesi, E. Radicioni, A. Langella, G. De Rosa, G. Collazuol, F. Iacob, M. Lamoureux, M. Mattiazzi, L. Ludovici, M. Gonin, L. Périssé, G. Pronost, C. Fujisawa, Y. Maekawa, Y. Nishimura, R. Okazaki, R. Akutsu, M. Friend, T. Hasegawa, T. Ishida, T. Kobayashi, M. Jakkapu, T. Matsubara, T. Nakadaira, K. Nakamura, Y. Oyama, K. Sakashita, T. Sekiguchi, T. Tsukamoto, N. Bhuiyan, G. T. Burton, F. Di Lodovico, J. Gao, A. Goldsack, T. Katori, J. Migenda, R. M. Ramsden, Z. Xie, S. Zsoldos, Y. Kotsar, H. Ozaki, A. T. Suzuki, Y. Takagi, Y. Takeuchi, H. Zhong, J. Feng, L. Feng, J. R. Hu, Z. Hu, M. Kawaue, T. Kikawa, M. Mori, T. Nakaya, R. A. Wendell, K. Yasutome, S. J. Jenkins, N. McCauley, P. Mehta, A. Tarant, M. J. Wilking, Y. Fukuda, Y. Itow, H. Menjo, K. Ninomiya, Y. Yoshioka, J. Lagoda, M. Mandal, P. Mijakowski, Y. S. Prabhu, J. Zalipska, M. Jia, J. Jiang, C. K. Jung, W. Shi, C. Yanagisawa, M. Harada, Y. Hino, H. Ishino, Y. Koshio, F. Nakanishi, S. Sakai, T. Tano, T. Ishizuka, G. Barr, D. Barrow, L. Cook, S. Samani, D. Wark, A. Holin, F. Nova, S. Jung, B. S. Yang, J. Y. Yang, J. Yoo, J. E. P. Fannon, L. Kneale, M. Malek, J. M. McElwee, M. D. Thiesse, L. F. Thompson, S. T. Wilson, H. Okazawa, S. M. Lakshmi, S. B. Kim, E. Kwon, J. W. Seo, I. Yu, A. K. Ichikawa, K. D. Nakamura, S. Tairafune, K. Nishijima, A. Eguchi, K. Nakagiri, Y. Nakajima, S. Shima, N. Taniuchi, E. Watanabe, M. Yokoyama, P. de Perio, S. Fujita, C. Jesús-Valls, K. Martens, K. M. Tsui, M. R. Vagins, J. Xia, S. Izumiyama, M. Kuze, R. Matsumoto, K. Terada, M. Ishitsuka, H. Ito, T. Kinoshita, Y. Ommura, N. Shigeta, M. Shinoki, T. Suganuma, K. Yamauchi, T. Yoshida, J. F. Martin, H. A. Tanaka, T. Towstego, R. Gaur, V. Gousy-Leblanc, M. Hartz, A. Konaka, X. Li, S. Chen, B. D. Xu, B. Zhang, M. Posiadala-Zezula, S. B. Boyd, R. Edwards, D. Hadley, M. Nicholson, M. O'Flaherty, B. Richards, A. Ali, B. Jamieson, S. Amanai, Ll. Marti, A. Minamino, G. Pintaudi, S. Sano, S. Suzuki, K. Wada
Dernière mise à jour: 2024-11-04 00:00:00
Langue: English
Source URL: https://arxiv.org/abs/2403.08619
Source PDF: https://arxiv.org/pdf/2403.08619
Licence: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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