Evaluating TAU-neutrino energy and direction from its shower observables to estimate the number of events by the proposed array

Abstract

Çok yüksek enerjili kozmik ışınların tespiti Astroparçacık fiziği alanında önemli bir çalışmadır. Çok çeşitli enerjilere sahip duşlar, farklı yönlerde hareket eden müonik, elektromanyetik ve hadronik bileşenlerden oluşur. Yüksüz ve çok küçük bir kütleye sahip olan nötrinolar madde ile zayıf etkileşime girdiklerinden, diğer olası kozmik ışınların (protonlar, iyonlar, vs.) aksine yön bilgilerini taşırlar. Çok yüksek enerjili nötrinolar, yer kabuğu içerisinde Dünya çapının 1/13 kadarlık bir kısmında seyahat ettikleri sırada yer kabuğu ile etkileşerek meydana getirdikleri tau leptonu kabuktan çıktığı sırada bir duş oluşturur. TAUWER diziliminin ana fikri, Earth Skimming metodu ve sıra dağ stratejisi ile tau nötrinolarının yüklü akım etkileşimleriyle meydana getirdiği tau bozunumları tarafından oluşan yataya yakın geniş açılı duşların gözlemlenmesidir. Özgün bir çalışma olan yer kabuğu içerisinden veya sıra dağlardan geçerek oluşan duşların incelenmesi, aynı zamanda da istenmeyen kaynaklar ile oluşacak etkileşimleri ortadan kaldırmak için oldukça etkili bir yöntemdir.Bu çalışmada CORSIKA programı kullanılarak, tau leptonunun 5 farklı bozunma kanalında, 5 farklı enerjide, 4 farklı duş gelişim mesafesi için THIN opsiyonu ile 8000 adet, THIN opsiyonsuz 900 adet simüle edilmiş duşu içeren bir benzetim kütüphanesi oluşturulmuştur. Duş enerjilerini yeniden yapılandırmak için bu duşların elektromanyetik, müonik ve hadronik bileşenlerinin dağılımları enerji ve parçacık yoğunluğu ile ilişkilendirilerek analiz edilmiştir. Ayrıca duşların geliş açılarını belirlemek için, istasyonların konum bilgileri ile duş parçacıklarının zaman bilgileri birlikte kullanılır.Benzetimi yapılan duşlara ait zenit ve azimutal açıları ile hesaplanan değerler arasındaki fark 0.5 derecenin altında kalır. Bunlara ek olarak, TAUWER dizilimi için beklenen olay sayısı, hem Earth Skimming metodu hem de sıra dağ stratejisi kullanılarak yılda 0.17, 0.25 ve 0.43 olay olarak en güncel üst limit nötrino akıları kullanılarak tahmin edilmektedir. Analiz sonuçları kurulacak dedektör diziliminin optimizasyonu, konumu, dağılımı ile ilgili ve enerji, duş gelişim mesafesi, bozunum modu gibi farklı duş karakterleri için tetiklemenin belirlenmesi gibi konularda ileriye yönelik kararların alınmasında yol gösterici bir nitelik taşımaktadır.

The detection of Ultra High Energy Cosmic Rays (UHECRs) is an important study in the area of Astroparticle Physics. The air showers having a wide range of energies consist of electromagnetic, muonic and hadronic components which travel in different directions. Since neutrinos having no charge and very small mass interact weakly with matter, they carry the direction information unlike other possible primary cosmic rays (protons, ions, etc.). While the UHE neutrinos travels 1/13 of Earth diameter in Earth crust, they interact with the rock to produce the tau lepton which subsequently create a shower just before it emerges from the crust. The main idea of TAUWER (Tau-Neutrino Multitower Detector Experiment) array is to observe the large angle showers around horizon created by tau decays which produced with charge current interactions of tau neutrinos through the Earth Skimming method and mountain chain screen strategy. The observation of the air showers initiated in Earth crust or mountain chains is a novel idea, is also very effective method to remove interactions with the unwanted sources.In this study the look-up table is produced for the tau neutrino induced showers including 5 different decay modes in 5 different energies with 4 different development lengths with THIN ON selection about 8000 and without THIN ON selection 900 showers simulated using CORSIKA (COsmic Ray SImulations for KAscade) program. They are analyzed to correlate the distribution of electromagnetic, muonic and hadronic components with energy and particle density to reconstruct the shower energies. The location of the stations with the arrival time information of the particles are used to determine the direction of the induced showers.The difference between the calculated and simulated zenith and azimuthal angles are below 0.5 degree for all simulated energies and development lengths. In addition, the expected number of the events for TAUWER array are estimated as 0.17, 0.25, and 0.43 events per year from latest neutrino flux upper limits using both Earth Skimming method and mountain chain screen strategy. The results of these analysis will be advisory on the optimization of detector array, the placements of detectors, and the determination of the trigger for different characteristic of the showers as energy, the development length and the decay mode.