[論文レビュー] A new approach to the study of high energy muon bundles with the MACRO detector at Gran Sasso

M. Sioli|ArXiv.org|Sep 15, 2002

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 4被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、グランサソにおけるMACRO検出器を用いた高エネルギーのミューオン束の新しい分析を提示する。デコherence関数およびクラスタ構造解析を用いて、宇宙線組成とハドロン相互作用モデルを分離する。HEDASコードがミューオン対間隔を正確に再現することを示し、QGSJETが最も優れた性能を示すハドロン相互作用モデルであることが特定され、宇宙線組成研究における系統的不確実性が低減される。

ABSTRACT

The MACRO experiment detected more than 300000 multiple muon events. We analysed these events to measure the distribution of the separation of underground TeV muons (decoherence function), up to a distance of 70 meters. On a subsample of very high multiplicity events, we performed two independent analyses, based on the study of the spatial structure of the bundles. Both the analyses revealed a correlation between the topology of the bundles and the dynamics of the shower development in atmosphere. These results have been used to constrain and disentangle the primary composition and the hadronic interaction models used by different shower propagation codes (HEMAS-DPM/CORSIKA).

研究の動機と目的

• 組成またはハドロン相互作用モデルにのみ依存する観測量を分離することで、宇宙線組成研究における系統的不確実性を低減すること。
• 高エネルギーのミューオン束をシミュレートする際のハドロン相互作用モデル（例：HEMAS、QGSJET、DPMJET）の妥当性を検証すること。
• 高多重度イベントにおける観測されたミューオンクラスタ構造が、初期ハドロンシャワーの動的特徴を反映しているのか、それとも統計的フラクチュエーションに起因するのかを調査すること。
• 将来の高エネルギーハドロン相互作用研究のための検出器に依存しないベンチマークとして、デコherence関数を提供すること。
• 相関およびクラスタリング解析を用いて、膝領域（数十TeV）における宇宙線の好ましい組成を特定すること。

提案手法

• 多重度 >1 の 3.4×10⁵ 件のイベントを用いて、ミューオン対間隔の分布（デコherence関数）を測定する。
• 検出器応答の影響を最小限に抑えるために、洗練されたアンフォールディング手順を適用して、検出器に依存しないデコherence関数を抽出する。
• 高多重度イベント（8 ≤ Nμ ≤ 12）におけるミューオン間の空間的相関を数量化するための相関積分分析を適用し、コア構造に注目する。
• クラスタリングアルゴリズムを用いてミューオン束内の準拠構造を同定し、それらが組成および相互作用モデルに依存するかを評価する。
• 異なるハドロン相互作用モデル（QGSJET、DPMJET）と組成モデルの組み合わせを用いたモンテカルロシミュレーションと実験データを比較する。
• 正規化されたイベント分布を用いて、パラメータ λN を用いたアライメントされたクラスタの分析により、シャワー軸への非統計的アライメントの有無を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 デコherence関数は、ハドロン相互作用モデルの検証に用いる組成に依存しない観測量を提供するか？
• RQ2 どのハドロン相互作用モデル（QGSJET、DPMJET など）が高エネルギーのミューオン束における観測されたミューオン対間隔を最もよく再現するか？
• RQ3 高多重度イベントにおける観測されたミューオンクラスタは、初期ハドロンシャワーの動的特徴を反映しているのか、それとも統計的フラクチュエーションに起因するのか？
• RQ4 観測されたミューオン束の空間的構造は、異なる組成および相互作用モデルを用いた現在のモンテカルロシミュレーションの予測と整合性を示しているか？
• RQ5 小さな距離でのミューオン対間隔に寄与する μ± + N → μ± + N + μ+ + μ− の過程の役割は何か？

主な発見

• HEMAS モンテカルロコードは、最大のミューオン対間隔まで実験的なデコherence関数を正確に再現しており、異常な横方向運動量生成の必要がないことを示している。
• μ± + N → μ± + N + μ+ + μ− の過程は、小さなミューオン対間隔に顕著に寄与しており、理論的枠組み内で十分に理解されている。
• 高多重度イベントにおける相関解析から、使用するハドロン相互作用モデルに関係なく、MACROフィット組成モデルが好まれる傾向が示され、組成決定の堅牢性が裏付けられた。
• コアから明確に分離されたミューオンは、硬いフラグメンテーション鎖に起因する可能性が高く、初期ハドロン相互作用に関連する動的起源を示唆する。
• 2個以上のミューオンからなるクラスタは、ハドロン相互作用の特徴と動的相関を示さず、主にランダムな統計的関連によって説明できる。
• QGSJET ハドロン相互作用モデルは、デコherenceおよびクラスタ構造の両面で実験データと最も良好な一致を示し、モンテカルロシミュレーションに新たな制約を課す。