Lepton production in ice by scattering of astrophysical neutrinos at high energies

Abstract

Angesichts der Beobachtung von Protonen mit ultrahohen Energien in der kosmischen Strahlung wird die Existenz zugehöriger Neutrinos astrophysikalischen Ursprungs als gesichert angesehen. Infolge von Flavoroszillationen beim Flug sollten Elektron-, Muon- und Tau-Neutrinos die Erde in etwa gleicher Zahl erreichen, obwohl in den Quellen praktisch keine Tau-Neutrinos erzeugt werden. Zukünftige Neutrinoteleskope (wie jene, die den Cerenkov-Effekt in Wasser oder Eis ausnutzen) bieten die Aussicht auf ihren Nachweis. Bei hinreichend hohen Energien muss hierbei eine Analyse der Beobachtungen den Durchgang der Neutrinos durch das Erdinnere berücksichtigen. Diese ist bei Elektron- und Muon-Neutrinos einerseits und Tau-Neutrinos andererseits verschieden, da nur letztere in Neutrino-Nukleon-Wechselwirkungen mit geladenen Strömen regeneriert werden. Diese Arbeit diskutiert Integraltransformationen, Diskretisierung der Energie und Iteration als mögliche Methoden zur Lösung des zugehörigen Systems gekoppelter Integro-Differentialgleichungen, und sie zeigt, dass der iterative Ansatz die gemeinsame Behandlung aller drei Neutrinoflavors erlaubt. Dieser Ansatz wird anschließend auf ein Potenzspektrum angewendet, um den Einfluss des Durchgangs für die verschiedenen Flavors im Detail zu diskutieren. Zudem werden die Änderungen im Fluss und in der Muonen-Ereignisrate für eine Vielzahl vorgeschlagener astrophysikalischer Neutrinoquellen berechnet. Da die Effekte des Durchgangs vom Nadirwinkel abhängen, ermöglicht die Beobachtung eines isotropen Neutrinoflusses eine Tomographie des Erdinneren. Die Perspektiven und Grenzen einer solchen Tomographie werden untersucht, und es wird insbesondere gezeigt, dass Neutrinobeobachtungen eine (grobe) Bestimmung der Erdmasse erlauben. Somit bietet die Neutrinoastrophysik die Möglichkeit für eine von der Gravitation unabhängige Bestätigung dieser wichtigen Größe.