Higher-order corrections to the energy loss cross sections of high-energy muons
Creators: name: Sandrock, Alexander
Publisher: name: Technische Universität Dortmund
Year: 2018
Subjects: subject: Neutrinoastronomie
subject: Myon
subject: Wirkungsquerschnitt
subject: Leptonpropagation
subject: Differentieller Wirkungsquerschnitt
subject: Energieverlust
subject: Astroteilchenphysik
subject: Neutrino astronomy
subject: Muon
subject: Cross section
subject: Differential cross section
subject: Lepton propagation
subject: Energy loss
subject: 530
subject: Neutrinoastronomie
subject: Myon
subject: Differentieller Wirkungsquerschnitt
subject: Energieverlust
subject: Elementarteilchenphysik

description: In this thesis corrections to the energy loss cross sections of high-energy muons are calculated. Over a large part of the energy range investigated by very large volume neutrino telescopes such as IceCube, pair production and bremsstrahlung dominate the energy loss. The theoretical uncertainties on the energy loss cross sections influence the experimental results as systematic uncertainties. These corrections are important for the energy reconstruction of high-energy muons which are observed in particle and astroparticle detectors. The leading-order cross sections of bremsstrahlung and pair production have been parametrized with less approximations than in previous works. In the case of bremsstrahlung the differences are most pronounced at low muon energies, where bremsstrahlung is a very subdominant process, while at higher energies the difference to previous works is negligible. For pair production, the new parametrizations lead to changes of up to a percent to the cross section differential in the lost energy, and the differences are present at all energies. For bremsstrahlung, the next-to-leading-order (NLO) corrections have been calculated for the average energy loss and the differential cross section. The average energy loss is increased by about 2% in the high-energy limit due to these corrections. The relative effect on the differential cross section is independent of the energy of the muon in the approximation used here. The correction increases the cross section for large relative energy losses. For the inelastic nuclear interaction, NLO corrections have also been calculated. The correction to the cross section is also most pronounced for large relative energy losses; the correction is not independent of the muon energy for this process. For bremsstrahlung and pair production, Coulomb corrections, i. e. corrections to all orders in the coupling Zα to the electric field of the nucleus have been calculated and parametrized, taking into account the nuclear formfactor. The qualitative behavior has been predicted earlier by other authors using simplified models for the nuclear charge distribution; this is the first quantitative calculation of Coulomb corrections for realistic extended nuclei.
description: In dieser Arbeit werden Korrekturen zu den Wirkungsquerschnitten der Energieverlustprozesse hochenergetischer Myonen berechnet. Die theoretischen Unsicherheiten auf die Wirkungsquerschnitte der Energieverlustprozesse beeinflussen experimentelle Ergebnisse als systematische Unsicherheiten. Die in dieser Arbeit bestimmten Korrekturen sind daher von Bedeutung für die Energierekonstruktion hochenergetischer Myonen, wie sie in Detektoren von Teilchenphysik- und Astroteilchenphysikexperimenten beobachtet werden. Der Energieverlust wird über einen Großteil des Energiebereichs großvolumiger Neutrinoteleskope, wie IceCube, durch Paarproduktion und Bremsstrahlung dominiert Die Wirkungsquerschnitte für Bremsstrahlung und Paarproduktion in führender Ordnung werden mit weniger Näherungen als in früheren Arbeiten parametrisiert. Im Falle der Bremsstrahlung sind die Unterschiede am bedeutendsten bei kleinen Energien, wo Bremsstrahlung ein subdominanter Prozess ist, während bei hohen Energien die Unterschiede zu früheren Arbeiten vernachlässigbar sind. Im Fall der Paarproduktion führt die neue Parametrisierung zu Unterschieden von bis zu etwa einem Prozent im in der verlorenen Energie differentiellen Wirkungsquerschnitt, die bei allen Energien auftreten. Strahlungskorrekturen werden für den mittleren Energieverlust und den differentiellen Wirkungsquerschnitt der Bremsstrahlung berechnet. Der mittlere Energieverlust von Myonen durch Bremsstrahlung steigt durch diese Korrekturen um etwa 2%. Der relative Effekt auf den differentiellen Wirkungsquerschnitt ist in der hier genutzten Näherung unabhängig von der Energie des Myons. Die Korrekturen erhöhen den Wirkungsquerschnitt für große relative Energieverluste. Ebenfalls wurden Strahlungskorrekturen für den Wirkungsquerschnitt der inelastischen nuklearen Wechselwirkung berechnet. Die Korrekturen sind auch in diesem Fall bei großen relativen Energieverlusten bedeutend, jedoch sind die Korrekturen in diesem Fall nicht unabhängig von der Myonenergie. Für Bremsstrahlung und Paarproduktion wurden Coulombkorrekturen, d. h. Korrekturen zu allen Ordnungen im Kopplungsparameter Zα zum elektrischen Feld des Kerns berechnet, wobei der nukleare Formfaktor berücksichtig wurde. Die qualitativen Eigenschaften der Ergebnisse stimmen mit früheren näherungsweisen Vorhersagen überein; diese Arbeit führt die erste quantitative Bestimmung von Coulombkorrekturen für realistische ausgedehnte Atomkerne durch.