[論文レビュー] A new version of the event generator Sibyll

Felix Riehn, R. Engel+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、LHCおよび固定標的実験データに合わせてチューニングされた新しいバリオン衝突イベントジェネレータSibyll 2.3を提示する。このモデルは、先行粒子生成、バリオン-反バリオン対生成、および回折的崩壊のモデリングを改善しており、ミュオン生成を約20%増加させ、シャワー最大深さを約25 g/cm²だけ大気に深くシフトさせ、大気シャワーおよび大気中ミュオンフラックスの予測を顕著に向上させる。

ABSTRACT

The event generator Sibyll can be used for the simulation of hadronic multiparticle production up to the highest cosmic ray energies. It is optimized for providing an economic description of those aspects of the expected hadronic final states that are needed for the calculation of air showers and atmospheric lepton fluxes. New measurements from fixed target and collider experiments, in particular those at LHC, allow us to test the predictive power of the model version 2.1, which was released more than 10 years ago, and also to identify shortcomings. Based on a detailed comparison of the model predictions with the new data we revisit model assumptions and approximations to obtain an improved version of the interaction model. In addition a phenomenological model for the production of charm particles is implemented as needed for the calculation of prompt lepton fluxes in the energy range of the astrophysical neutrinos recently discovered by IceCube. After giving an overview of the new ideas implemented in Sibyll and discussing how they lead to an improved description of accelerator data, predictions for air showers and atmospheric lepton fluxes are presented.

研究の動機と目的

• 超高エネルギー宇宙線におけるハドロン衝突におけるマルチパーティクル生成の記述を、新しい実験データを用いて改善すること。
• Sibyll 2.1における制限、特に二次粒子多重度および先行粒子分布のモデリングの課題を解決すること。
• ハドロン最終状態およびエネルギー分配の取り扱いの見直しにより、大気シャワー発展のシミュレーションを向上させること。
• 特にIceCubeニュートリノ天体物理学において重要な、大気中ミュオンおよびニュートリノフラックスのより正確な予測を可能にすること。
• LHC（7–8 TeV）および固定標的実験（例：NA49、NA22）からの新しいデータを統合し、モデルの検証および精錬を行うこと。

提案手法

• 更新された加速器データを用いて、p–p、π–p、およびK–p衝突の全断面積および弾性断面積を再チューニングした。
• プロンプトニュートリノフラックス計算の改善のため、グルーク粒子生成の体系的モデルを導入した。
• ハドロン衝突における回折的崩壊および励起状態の残渣の取り扱いを強化した。
• ストリング破断の修正により、バリオン-反バリオン対生成を増加させ、これによりミュオン収率およびエネルギースペクトルに影響を与えた。
• パイオン衝突における先行ベクトルメソン（例：ρ⁰）の生成を再考し、電磁シャワーのエネルギーを低減し、ハドロン的エネルギー保持率を向上させた。
• NA49およびNA22のデータで観測されたように、|xF| > 0.1 におけるパイオンおよびカイオン分布のフェルナンド-xスケーリングを再現できるようにモデルをキャリブレーションした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Sibyll 2.1と比較して、新しいSibyll 2.3モデルは先行粒子分布の記述をどの程度改善しているか？
• RQ2 ρ⁰メソンおよびバリオン対の生成が増加した場合、大気シャワーにおけるミュオン収率およびエネルギースペクトルにどのような影響を与えるか？
• RQ3 更新されたモデルパラメータおよび相互作用メカニズムは、シャワー最大深さ（Xmax）にどのように影響するか？
• RQ4 新しいモデルは、粒子多重度およびフォワード分布に関するLHCおよび固定標的データをよりよく再現できるか？
• RQ5 新しいモデルは、IceCube観測に関連する大気中ミュオンおよびニュートリノフラックスの予測にどのような影響を与えるか？

主な発見

• 新しいSibyll 2.3モデルは、以前のバージョンと比較して、大気シャワーにおけるミュオン数を約20%増加させると予測している。
• シャワー最大深さ（Xmax）は、大気中に約25 g/cm²だけ深くシフトし、AUGER測定結果とより一致するようになっている。
• NA49およびNA22のデータによる確認の通り、|xF| > 0.1 におけるパイオンおよびカイオン生成のフェルナンドスケーリングをモデルが成功裏に再現している。
• パイオン-空気衝突においてπ⁰の代わりにρ⁰メソンが生成されることで、電磁シャワーのエネルギーが低減し、ハドロン的エネルギー保持率が向上する。
• 強化されたバリオン-反バリオン対生成により、低エネルギーのミュオン収率が上昇し、結果としてミュオンエネルギースペクトルがより急峻（ソフト）になる。
• 特にフォワード領域において、粒子生成に関するLHCデータとより良好な一致を示し、マルチパートン相互作用の記述が一貫性を保っている。