利用冰层中的大气中微子探索地球物质效应

我们研究了利用大气中微子在地球深处传播过程中发生的由$\theta_{13}$驱动的物质效应，在公里级冰切伦科夫探测器中进行中微子振荡层析成像并确定中微子质量顺序的可能性。我们考虑了正在运行的 IceCube/DeepCore 中微子天文台以及未来规划的扩展项目（如具有更低能量阈值的 PINGU 探测器）。我们的模拟包含了对中微子振荡参数边缘化的影响，以及对事件总数的完全相关系统不确定性的处理。对于混合角$\theta_{13}$的当前最佳拟合值，由于其相对较高的能量阈值，DeepCore 探测器在真实质量顺序为正序的情况下，经过 10 年观测仅能对地球密度归一化的波动（$\Delta\rho \simeq \pm 10\%$）产生约$1.6\sigma$置信度（CL）的敏感性。对于我们考虑的两种 PINGU 配置，在同样为正质量顺序的情况下，经过 10 年观测可在$2\sigma$ CL 下测量到$\Delta\rho \simeq \pm 3\%$（$\pm 2\%$）的整体密度波动。我们还比较了这三种配置下确定中微子质量顺序的前景，发现对于两种质量顺序，DeepCore 在 5 年后、PINGU 在约 1 年后均可在$5\sigma$ CL 下实现这一目标。这清楚地表明，将能量阈值降低至 10 GeV 以下以使探测器对共振物质效应完全敏感至关重要。