The European Physical Journal C

, Volume 67, Issue 1–2, pp 25–37

Measurement of the atmospheric muon charge ratio with the OPERA detector

  • N. Agafonova
  • A. Anokhina
  • S. Aoki
  • A. Ariga
  • T. Ariga
  • D. Autiero
  • A. Badertscher
  • A. Bagulya
  • A. Bertolin
  • M. Besnier
  • D. Bick
  • V. Boyarkin
  • C. Bozza
  • T. Brugière
  • R. Brugnera
  • G. Brunetti
  • S. Buontempo
  • A. Cazes
  • L. Chaussard
  • M. Chernyavsky
  • V. Chiarella
  • N. Chon-Sen
  • A. Chukanov
  • M. Cozzi
  • G. D’Amato
  • F. Dal Corso
  • N. D’Ambrosio
  • G. De  Lellis
  • Y. Déclais
  • M. De  Serio
  • F. Di  Capua
  • D. Di  Ferdinando
  • A. Di  Giovanni
  • N. Di  Marco
  • S. Dmitrievski
  • M. Dracos
  • D. Duchesneau
  • S. Dusini
  • J. Ebert
  • O. Egorov
  • R. Enikeev
  • A. Ereditato
  • L. S. Esposito
  • J. Favier
  • G. Felici
  • T. Ferber
  • R. Fini
  • D. Frekers
  • T. Fukuda
  • C. Fukushima
  • V. I. Galkin
  • A. Garfagnini
  • G. Giacomelli
  • M. Giorgini
  • C. Goellnitz
  • J. Goldberg
  • D. Golubkov
  • L. Goncharova
  • Y. Gornushkin
  • G. Grella
  • F. Grianti
  • M. Guler
  • C. Gustavino
  • C. Hagner
  • K. Hamada
  • T. Hara
  • M. Hierholzer
  • K. Hoshino
  • M. Ieva
  • K. Jakovcic
  • C. Jollet
  • F. Juget
  • M. Kazuyama
  • S. H. Kim
  • M. Kimura
  • B. Klicek
  • J. Knuesel
  • K. Kodama
  • M. Komatsu
  • U. Kose
  • I. Kreslo
  • H. Kubota
  • C. Lazzaro
  • J. Lenkeit
  • A. Ljubicic
  • A. Longhin
  • G. Lutter
  • A. Malgin
  • G. Mandrioli
  • A. Marotta
  • J. Marteau
  • T. Matsuo
  • V. Matveev
  • N. Mauri
  • E. Medinaceli
  • F. Meisel
  • A. Meregaglia
  • P. Migliozzi
  • S. Mikado
  • S. Miyamoto
  • P. Monacelli
  • K. Morishima
  • U. Moser
  • M. T. Muciaccia
  • N. Naganawa
  • T. Naka
  • M. Nakamura
  • T. Nakano
  • D. Naumov
  • V. Nikitina
  • K. Niwa
  • Y. Nonoyama
  • S. Ogawa
  • A. Olchevski
  • C. Oldorf
  • G. Orlova
  • V. Osedlo
  • M. Paniccia
  • A. Paoloni
  • B. D. Park
  • I. G. Park
  • A. Pastore
  • L. Patrizii
  • E. Pennacchio
  • H. Pessard
  • V. Pilipenko
  • C. Pistillo
  • G. Policastro
  • N. Polukhina
  • M. Pozzato
  • K. Pretzl
  • P. Publichenko
  • F. Pupilli
  • R. Rescigno
  • T. Roganova
  • H. Rokujo
  • G. Romano
  • G. Rosa
  • I. Rostovtseva
  • A. Rubbia
  • A. Russo
  • V. Ryasny
  • O. Ryazhskaya
  • O. Sato
  • Y. Sato
  • A. Schembri
  • W. Schmidt Parzefall
  • H. Schroeder
  • L. Scotto Lavina
  • A. Sheshukov
  • H. Shibuya
  • S. Simone
  • M. Sioli
  • C. Sirignano
  • G. Sirri
  • J. S. Song
  • M. Spinetti
  • L. Stanco
  • N. Starkov
  • M. Stipcevic
  • T. Strauss
  • P. Strolin
  • S. Takahashi
  • M. Tenti
  • F. Terranova
  • I. Tezuka
  • V. Tioukov
  • P. Tolun
  • T. Tran
  • S. Tufanli
  • P. Vilain
  • M. Vladimirov
  • L. Votano
  • J. L. Vuilleumier
  • G. Wilquet
  • B. Wonsak
  • V. Yakushev
  • C. S. Yoon
  • T. Yoshioka
  • J. Yoshida
  • Y. Zaitsev
  • S. Zemskova
  • A. Zghiche
  • R. Zimmermann
Open Access
Regular Article - Experimental Physics

Abstract

The OPERA detector at the Gran Sasso underground laboratory (LNGS) was used to measure the atmospheric muon charge ratio \(R_{\mu}=N_{\mu^{+}}/N_{\mu^{-}}\) in the TeV energy region. We analyzed 403069 atmospheric muons corresponding to 113.4 days of livetime during the 2008 CNGS run. We computed separately the muon charge ratio for single and for multiple muon events in order to select different energy regions of the primary cosmic ray spectrum and to test the Rμ dependence on the primary composition. The measured Rμ values were corrected taking into account the charge-misidentification errors. Data have also been grouped in five bins of the “vertical surface energy” ℰμcos θ. A fit to a simplified model of muon production in the atmosphere allowed the determination of the pion and kaon charge ratios weighted by the cosmic ray energy spectrum.

References

  1. 1.
    M. Ambrosio et al., Astropart. Phys. 10, 11 (1999) CrossRefADSGoogle Scholar
  2. 2.
    E.V. Bugaev et al., Phys. Rev. D 58, 054001 (1998) CrossRefADSGoogle Scholar
  3. 3.
    P.K.F. Grieder, Cosmic Rays at Earth (Elsevier Science, Amsterdam, 2001) Google Scholar
  4. 4.
    G. Battistoni et al., in Proceedings of the 31st ICRC, Lodz, Poland, 2009 Google Scholar
  5. 5.
    T.K. Gaisser, Cosmic Rays and Particle Physics (Cambridge University Press, Cambridge, 1990) Google Scholar
  6. 6.
    P. Lipari, Astropart. Phys. 1, 195 (1993) CrossRefADSGoogle Scholar
  7. 7.
    J.H. Parker et al., in Proceedings of the 11th ICRC, Vol. X, ed. by A. Somogyi et al. (Akadémiai Kiadó, Budapest, 1970), p. 199 Google Scholar
  8. 8.
    P. Schreiner, M. Goodman (MINOS Collaboration), in Proceedings of the 30th ICRC, Vol. 5, ed. by R. Caballero et al. (Universidad Nacional Autónoma de México, Mexico City, 2008) p. 1221 Google Scholar
  9. 9.
    G.K. Ashley II et al., Phys. Rev. D 12, 20 (1975) CrossRefADSGoogle Scholar
  10. 10.
    P. Adamson et al., Phys. Rev. D 76, 052003 (2007) CrossRefADSGoogle Scholar
  11. 11.
    R. Acquafredda et al., J. Instrum. 4, P04018 (2009) CrossRefGoogle Scholar
  12. 12.
    N. Agafonova et al., J. Instrum. 4, P06020 (2009) CrossRefGoogle Scholar
  13. 13.
    G. Acquistapace et al., CERN Yellow Report, 1998-02 (1998). http://proj-cngs.web.cern.ch/proj-cngs
  14. 14.
    A. Bergnoli et al., IEEE Trans. Nucl. Sci. 52, 2963 (2005) CrossRefADSGoogle Scholar
  15. 15.
    R. Zimmermann et al., Nucl. Instrum. Methods A 555, 435 (2005) CrossRefADSGoogle Scholar
  16. 16.
    B.S. Wonsak, Ph.D. thesis, Hamburg University, 2007. Available (in German) at http://operaweb.lngs.infn.it:2080/Opera/ptb/theses/theses/Wonsak-Bjoern_phdthesis.pdf
  17. 17.
    M. Ambrosio et al., Nucl. Instrum. Methods A 486, 663 (2002) CrossRefADSGoogle Scholar
  18. 18.
    M. Ambrosio et al., Phys. Rev. D 56, 1418 (1997) CrossRefADSGoogle Scholar
  19. 19.
    G. Battistoni et al., in Proceedings of the 20th Rencontres de Blois: Challenges in Particle Astrophysics, ed. by J. Dumarchez, J.T. Thanh Van (The Gioi Publishers, Vietnam, 2008), p. 283 Google Scholar
  20. 20.
    A. Fassò, A. Ferrari, J. Ranft, P.R. Sala, CERN Yellow Report 2005-10 (2005), INFN/TC_05/11, SLAC-R-773 Google Scholar
  21. 21.
    A. Fassò et al., in Proc. of CHEP2003, La Jolla, CA, USA, March 24-28, 2003, (paper MOMT005), eConf C0303241 (2003). arXiv:hep-ph/0306267
  22. 22.
    J.R. Höerandel, Astropart. Phys. 19, 193 (2003) CrossRefADSGoogle Scholar
  23. 23.
    P. Lipari, Phys. Rev. D 44, 3543 (1991) CrossRefADSGoogle Scholar
  24. 24.
    J.K. de Jong (MINOS Collaboration), in Proceedings of the 31st ICRC, Lodz, Poland, 2009 Google Scholar
  25. 25.
    P. Achard et al., Phys. Lett. B 598, 15 (2004) CrossRefADSGoogle Scholar
  26. 26.
    N. Agafonova et al., in Proceedings of the 31st ICRC, Lodz, Poland, 2009 Google Scholar
  27. 27.
    L.V. Volkova et al., Nouvo Cim. C 10, 465 (1987) CrossRefADSGoogle Scholar
  28. 28.
    L.V. Volkova, G.T. Zatsepin, Phys. At. Nucl. 71, 1782 (2008) CrossRefGoogle Scholar

Copyright information

© Springer-Verlag / Società Italiana di Fisica 2010

Authors and Affiliations

  • N. Agafonova
    • 1
  • A. Anokhina
    • 2
  • S. Aoki
    • 3
  • A. Ariga
    • 4
  • T. Ariga
    • 4
  • D. Autiero
    • 5
  • A. Badertscher
    • 6
  • A. Bagulya
    • 7
  • A. Bertolin
    • 8
  • M. Besnier
    • 9
  • D. Bick
    • 10
  • V. Boyarkin
    • 1
  • C. Bozza
    • 11
  • T. Brugière
    • 5
  • R. Brugnera
    • 12
    • 8
  • G. Brunetti
    • 13
    • 14
  • S. Buontempo
    • 15
  • A. Cazes
    • 5
  • L. Chaussard
    • 5
  • M. Chernyavsky
    • 7
  • V. Chiarella
    • 16
  • N. Chon-Sen
    • 17
  • A. Chukanov
    • 15
  • M. Cozzi
    • 13
  • G. D’Amato
    • 11
  • F. Dal Corso
    • 8
  • N. D’Ambrosio
    • 18
  • G. De  Lellis
    • 15
    • 19
  • Y. Déclais
    • 5
  • M. De  Serio
    • 20
  • F. Di  Capua
    • 15
  • D. Di  Ferdinando
    • 14
  • A. Di  Giovanni
    • 18
  • N. Di  Marco
    • 21
  • S. Dmitrievski
    • 22
  • M. Dracos
    • 17
  • D. Duchesneau
    • 9
  • S. Dusini
    • 8
  • J. Ebert
    • 10
  • O. Egorov
    • 23
  • R. Enikeev
    • 1
  • A. Ereditato
    • 4
  • L. S. Esposito
    • 18
  • J. Favier
    • 9
  • G. Felici
    • 16
  • T. Ferber
    • 10
  • R. Fini
    • 20
  • D. Frekers
    • 24
  • T. Fukuda
    • 25
  • C. Fukushima
    • 26
  • V. I. Galkin
    • 2
  • A. Garfagnini
    • 12
    • 8
  • G. Giacomelli
    • 13
    • 14
  • M. Giorgini
    • 13
    • 14
  • C. Goellnitz
    • 10
  • J. Goldberg
    • 27
  • D. Golubkov
    • 23
  • L. Goncharova
    • 7
  • Y. Gornushkin
    • 22
  • G. Grella
    • 11
  • F. Grianti
    • 16
  • M. Guler
    • 28
  • C. Gustavino
    • 18
  • C. Hagner
    • 10
  • K. Hamada
    • 25
  • T. Hara
    • 3
  • M. Hierholzer
    • 10
    • 29
  • K. Hoshino
    • 25
  • M. Ieva
    • 20
  • K. Jakovcic
    • 30
  • C. Jollet
    • 17
  • F. Juget
    • 4
  • M. Kazuyama
    • 25
  • S. H. Kim
    • 31
  • M. Kimura
    • 26
  • B. Klicek
    • 30
  • J. Knuesel
    • 4
  • K. Kodama
    • 32
  • M. Komatsu
    • 25
  • U. Kose
    • 12
    • 8
  • I. Kreslo
    • 4
  • H. Kubota
    • 25
  • C. Lazzaro
    • 6
  • J. Lenkeit
    • 10
  • A. Ljubicic
    • 30
  • A. Longhin
    • 12
  • G. Lutter
    • 4
  • A. Malgin
    • 1
  • G. Mandrioli
    • 14
  • A. Marotta
    • 15
  • J. Marteau
    • 5
  • T. Matsuo
    • 26
  • V. Matveev
    • 1
  • N. Mauri
    • 13
    • 14
  • E. Medinaceli
    • 14
  • F. Meisel
    • 4
  • A. Meregaglia
    • 17
  • P. Migliozzi
    • 15
  • S. Mikado
    • 26
  • S. Miyamoto
    • 25
  • P. Monacelli
    • 21
  • K. Morishima
    • 25
  • U. Moser
    • 4
  • M. T. Muciaccia
    • 20
    • 33
  • N. Naganawa
    • 25
  • T. Naka
    • 25
  • M. Nakamura
    • 25
  • T. Nakano
    • 25
  • D. Naumov
    • 22
  • V. Nikitina
    • 2
  • K. Niwa
    • 25
  • Y. Nonoyama
    • 25
  • S. Ogawa
    • 26
  • A. Olchevski
    • 22
  • C. Oldorf
    • 10
  • G. Orlova
    • 7
  • V. Osedlo
    • 2
  • M. Paniccia
    • 16
  • A. Paoloni
    • 16
  • B. D. Park
    • 21
  • I. G. Park
    • 21
  • A. Pastore
    • 20
    • 33
  • L. Patrizii
    • 14
  • E. Pennacchio
    • 5
  • H. Pessard
    • 9
  • V. Pilipenko
    • 24
  • C. Pistillo
    • 4
  • G. Policastro
    • 11
  • N. Polukhina
    • 7
  • M. Pozzato
    • 13
    • 14
  • K. Pretzl
    • 4
  • P. Publichenko
    • 2
  • F. Pupilli
    • 21
  • R. Rescigno
    • 11
  • T. Roganova
    • 2
  • H. Rokujo
    • 3
  • G. Romano
    • 11
  • G. Rosa
    • 34
  • I. Rostovtseva
    • 23
  • A. Rubbia
    • 6
  • A. Russo
    • 15
    • 19
  • V. Ryasny
    • 1
  • O. Ryazhskaya
    • 1
  • O. Sato
    • 25
  • Y. Sato
    • 35
  • A. Schembri
    • 34
  • W. Schmidt Parzefall
    • 10
  • H. Schroeder
    • 29
  • L. Scotto Lavina
    • 15
  • A. Sheshukov
    • 22
  • H. Shibuya
    • 26
  • S. Simone
    • 20
    • 33
  • M. Sioli
    • 13
    • 14
  • C. Sirignano
    • 11
  • G. Sirri
    • 14
  • J. S. Song
    • 31
  • M. Spinetti
    • 16
  • L. Stanco
    • 12
  • N. Starkov
    • 7
  • M. Stipcevic
    • 30
  • T. Strauss
    • 6
  • P. Strolin
    • 15
    • 19
  • S. Takahashi
    • 25
  • M. Tenti
    • 13
    • 14
  • F. Terranova
    • 16
  • I. Tezuka
    • 35
  • V. Tioukov
    • 15
  • P. Tolun
    • 28
  • T. Tran
    • 5
  • S. Tufanli
    • 28
  • P. Vilain
    • 36
  • M. Vladimirov
    • 7
  • L. Votano
    • 16
  • J. L. Vuilleumier
    • 4
  • G. Wilquet
    • 36
  • B. Wonsak
    • 10
  • V. Yakushev
    • 1
  • C. S. Yoon
    • 31
  • T. Yoshioka
    • 25
  • J. Yoshida
    • 25
  • Y. Zaitsev
    • 23
  • S. Zemskova
    • 22
  • A. Zghiche
    • 9
  • R. Zimmermann
    • 10
  1. 1.INR—Institute for Nuclear Research of the Russian Academy of SciencesMoscowRussia
  2. 2.SINP MSU—Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics of Moscow State UniversityMoscowRussia
  3. 3.Kobe UniversityKobeJapan
  4. 4.Albert Einstein Center for Fundamental Physics, Laboratory for High Energy Physics (LHEP)University of BernBernSwitzerland
  5. 5.IPNLUniversité Claude Bernard Lyon 1VilleurbanneFrance
  6. 6.ETH ZurichInstitute for Particle PhysicsZurichSwitzerland
  7. 7.LPI—Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of SciencesMoscowRussia
  8. 8.INFN Sezione di PadovaPadovaItaly
  9. 9.LAPPUniversité de SavoieAnnecy-le-VieuxFrance
  10. 10.Hamburg UniversityHamburgGermany
  11. 11.Dipartimento di Fisica dell’Università di Salerno and INFNFisciano, SalernoItaly
  12. 12.Dipartimento di Fisica dell’Università di PadovaPadovaItaly
  13. 13.Dipartimento di Fisica dell’Università di BolognaBolognaItaly
  14. 14.INFN Sezione di BolognaBolognaItaly
  15. 15.INFN Sezione di NapoliNapoliItaly
  16. 16.INFN—Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFNFrascati (Roma)Italy
  17. 17.IPHCUniversité de Strasbourg, CNRS/IN2P3StrasbourgFrance
  18. 18.INFN—Laboratori Nazionali del Gran SassoAssergi (L’Aquila)Italy
  19. 19.Dipartimento di Fisica dell’Università Federico II di NapoliNapoliItaly
  20. 20.INFN Sezione di BariBariItaly
  21. 21.Dipartimento di Fisica dell’Università dell’Aquila and INFNL’AquilaItaly
  22. 22.JINR—Joint Institute for Nuclear ResearchDubnaRussia
  23. 23.ITEP—Institute for Theoretical and Experimental PhysicsMoscowRussia
  24. 24.University of MünsterMünsterGermany
  25. 25.Nagoya UniversityNagoyaJapan
  26. 26.Toho UniversityFunabashiJapan
  27. 27.Department of PhysicsTechnionHaifaIsrael
  28. 28.METU—Middle East Technical UniversityAnkaraTurkey
  29. 29.Fachbereich Physik der Universität RostockRostockGermany
  30. 30.IRB—Rudjer Boskovic InstituteZagrebCroatia
  31. 31.Gyeongsang National UniversityJinjuSouth Korea
  32. 32.Aichi University of EducationKariya (Aichi-Ken)Japan
  33. 33.Dipartimento di Fisica dell’Università di BariBariItaly
  34. 34.Dipartimento di Fisica dell’Università di Roma “La Sapienza” and INFNRomaItaly
  35. 35.Utsunomiya UniversityTochigi-Ken, UtsunomiyaJapan
  36. 36.IIHEUniversité Libre de BruxellesBrusselsBelgium

Personalised recommendations