利用 ORCA 探测器进行地球中微子层析成像

本文以 PREM 作为地球密度分布的参考模型，研究了 ORCA 探测器对地球 i) 外核（OC）密度、ii) 内核（IC）密度、iii) 总地核密度以及 iv) 地幔密度偏离其各自 PREM 密度的灵敏度。该分析通过研究地球物质对大气 $\nu_{\mu}$、$\nu_e$、$\bar{\nu}_\mu$ 和 $\bar{\nu}_e$ 振荡的影响来进行。我们给出的结果特别阐明了 ORCA 对外核、内核、地核和地幔密度的灵敏度对以下因素的依赖性：分析中使用的系统误差类型、大气中微子混合角 $\theta_{23}$ 的值、是否施加以及如何施加地球质量约束，以及轻中微子质量谱的类型——正常顺序（NO）或倒置顺序（IO）。我们特别表明，在施加地球质量约束、“最小”系统误差且 $\sin^2\theta_{23}=0.58$ 的“最有利”NO 情形下，ORCA 运行 10 年后能够以 3$\sigma$ 置信水平确定例如外核（地幔）密度，其不确定度为 (-18\%)/+15\%（(-6\%)/+8\%）。在“保守”系统误差且 $\sin^2\theta_{23}=0.42$ 的“最不利”NO 情形下，不确定度为 (-43\%)/+39\%（(-17\%/+20\%)），而对于 $\sin^2\theta_{23} = 0.50$ 和 0.58，不确定度则明显更小：分别为 (-37)\%/+30\% 和 (-30\%)/+24\%（(-13\%)/+16\% 和 (-11\%/+14\%)）。我们还发现，对于 IO 中微子质量谱，ORCA 对外核、地核和地幔密度的灵敏度显著变差。