Energy spectrum and angular distribution of prompt cosmic-ray muons

Summary

The energy spectrum and angular distribution of atmospheric prompt muons are calculated by using an integral solution for production of charmed particles, their decay and muon transport in the atmosphere. Current experimental information from accelerator and theoretical ideas about charm cross-section and semi-leptonic decay are used to give a reference prompt muon spectrum to compare with that from conventional sources (π and K decay). The obtained differential spectrum has an energy dependence which approaches that of the primary cosmic rays. The integral intensity of prompt muons is equal to the conventional one at about 250 TeV. The angular distribution is found to be practically flat in the range (0÷80)⁰ irrespective of the muon energy. On the basis of this analysis we estimate that accurate measurements of muon energy spectrum and angular distribution at energies greater than 10 TeV should allow one to obtain useful information regarding charm hadroproduction cross-section in the 100 TeV region.

Riassunto

Si calcola uno spettro di muoni pronti per confrontarlo con quello di sorgenti convenzionali (decadimenti da π, K) usando sezioni d’urto di produzione di particelle charmate e decadimenti semileptonici ottenuti da dati di acceleratori e da recenti calcoli teorici. Lo spettro differenziale dei muoni pronti ha una dipendenza dall’energia simile a quella dei raggi cosmici primari. L’intensità integrale dei muoni pronti raggiunge quella convenzionale a circa 250 TeV e la distribuzione angolare è praticamente isotropa nell’intervallo (0÷80)^o non dipendendo dall’energia dei muoni. Sulla base di questa analisi noi riteniamo che un’accurata misura della distribuzione angolare e dello spettro in energia dei muoni ad energie maggiori di 10 TeV possano permettere di ottenere utili informazioni sulla sezione d’urto della produzione adronica di particelle charmate nella regione dei 100 TeV.