Measurements of the charge ratio and polarization of cosmic-ray muons with the Super-Kamiokande detector
Authors: Kitagawa H. , Tada T. , Abe K. , Bronner C. , Hayato Y. , Hiraide K. , Hosokawa K. , Ieki K. , Ikeda M. , Kameda J. , Kanemura Y. , Kaneshima R. , Kashiwagi Y. , Kataoka Y. , Miki S. , Mine S. , Miura M. , Moriyama S. , Nakahata M. , Nakano Y. , Nakayama S. , Noguchi Y. , Okamoto K. , Sato K. , Sekiya H. , Shiba H. , Shimizu K. , Shiozawa M. , Sonoda Y. , Suzuki Y. , Takeda A. , Takemoto Y. , Takenaka A. , Tanaka H. , Watanabe S. , Yano T. , Han S. , Kajita T. , Okumura K. , Tashiro T. , Tomiya T. , Wang X. , Yoshida S. , Megias G. D. , Fernandez P. , Labarga L. , Ospina N. , Zaldivar B. , Kearns E. , Raaf J. L. , Wan L. , Wester T. , Pointon B. W. , Bian J. , Griskevich N. J. , Locke S. , Smy M. B. , Sobel H. W. , Takhistov V. , Yankelevich A. , Hill J. , Jang M. C. , Lee S. H. , Moon D. H. , Park R. G. , Bodur B. , Scholberg K. , Walter C. W. , Beauchêne A. , Drapier O. , Giampaolo A. , Mueller Th. A. , Paganini P. , Quilain B. , Rogly R. , Santos A. D. , Nakamura T. , Jang J. S. , Machado L. N. , Learned J. G. , Choi K. , Iovine N. , Cao S. , Anthony L. H. V. , Marin D. , Prouse N. W. , Scott M. , Sztuc A. A. , Uchida Y. , Berardi V. , Calabria N. F. , Catanesi M. G. , Radicioni E. , Langella A. , De Rosa G. , Collazuol G. , Iacob F. , Lamoureux M. , Mattiazzi M. , Ludovici L. , Gonin M. , Perisse L. , Pronost G. , Fujisawa C. , Maekawa Y. , Nishimura Y. , Okazaki R. , Akutsu R. , Friend M. , Hasegawa T. , Ishida T. , Jakkapu M. , Kobayashi T. , Matsubara T. , Nakadaira T. , Nakamura K. , Oyama Y. , Sakashita K. , Sekiguchi T. , Tsukamoto T. , Bhuiyan N. , Burton G. T. , Gao J. , Goldsack A. , Katori T. , Lodovico F. Di. , Migenda J. , Ramsden R. M. , Xie Z. , Zsoldos S. , Kotsar Y. , Ozaki H. , Suzuki A. T. , Takagi Y. , Takeuchi Y. , Zhong H. , Feng J. , Feng L. , Hu J. R. , Hu Z. , Kawaue M. , Kikawa T. , Mori M. , Nakaya T. , Wendell R. A. , Yasutome K. , Jenkins S. J. , McCauley N. , Mehta P. , Tarrant A. , Wilking M. J. , Fukuda Y. , Itow Y. , Menjo H. , Ninomiya K. , Yoshioka Y. , Lagoda J. , Mandal M. , Mijakowski P. , Prabhu Y. S. , Zalipska J. , Jia M. , Jiang J. , Jung C. K. , Shi W. , Yanagisawa C. , Harada M. , Hino Y. , Ishino H. , Koshio Y. , Nakanishi F. , Sakai S. , Tano T. , Ishizuka T. , Barr G. , Barrow D. , Cook L. , Samani S. , Wark D. , Holin A. M. , Nova F. , Jung S. , Yang B. S. , Yang J. Y. , Yoo J. , Fannon J. E. P. , Kneale L. , Malek M. , McElwee J. M. , Thiesse M. D. , Thompson L. F. , Wilson S. T. , Okazawa H. , Lakshmi S. M. , Kim S. B. , Kwon E. , Seo J. W. , Yu I. , Ichikawa A. K. , Nakamura K. D. , Tairafune S. , Nishijima K. , Eguchi A. , Nakagiri K. , Nakajima Y. , Shima S. , Taniuchi N. , Watanabe E. , Yokoyama M. , Fujita S. , Jesus-Valls C. , Martens K. , Tsui K. M. , de Perio P. , Vagins M. R. , Xia J. , Izumiyama S. , Kuze M. , Matsumoto R. , Terada K. , Ishitsuka M. , Ito H. , Kinoshita T. , Ommura Y. , Shigeta N. , Shinoki M. , Suganuma T. , Yamauchi K. , Yoshida T. , Martin J. F. , Tanaka H. A. , Towstego T. , Gaur R. , Gousy-Leblanc V. , Hartz M. , Konaka A. , Li X. , Chen S. , Xu B. D. , Zhang B. , Posiadala-Zezula M. , Boyd S. B. , Edwards R. , Hadley D. , Nicholson M. , O’Flaherty M. , Richards B. , Ali A. , Jamieson B. , Amanai S. , Marti Ll. , Minamino A. , Pintaudi G. , Sano S. , Suzuki S. , Wada K. ,   Super-Kamiokande Collaboration
Published: October 2024

We present the results of the charge ratio (R) and polarization (P0μ) measurements using decay electron events collected between September 2008 and June 2022 with the Super-Kamiokande detector. Because of its underground location and long operation, we are able to perform high-precision measurements by accumulating cosmic-ray muons. We measured the muon charge ratio to be R=1.32±0.02(stat+syst) at EμcosθZenith=0.7−0.2+0.3  TeV, where Eμ is the muon energy and θZenith is the zenith angle of incoming cosmic-ray muons. This result is consistent with the Honda flux model while indicating a tension with the πK model of 1.9σ. We also measured the muon polarization at the production location to be P0μ=0.52±0.02  (stat+syst) at the muon momentum of 0.9−0.1+0.6  TeV/c at the surface of the mountain; this also suggests a tension with the Honda flux model of 1.5σ. This is the most precise measurement ever to experimentally determine the cosmic-ray muon polarization near 1  TeV/c. These measurement results are useful to improve atmospheric neutrino simulations.

Published by the American Physical Society
2024