[論文レビュー] A parametrization of the cosmic-ray muon flux at sea-level

Mengyun Guan, M. C. Chu+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 44

ひとこと要約

この論文は、地球の曲率とミューオンの崩壊を考慮した海面における宇宙線ミューオンフラックスの修正パラメータ化を提示しており、低エネルギー域および大きな天頂角において精度が向上している。修正された式はMUSICコードのシミュレーションを用いて検証され、さまざまな岩盤被覆厚さにおいて実験データと極めて良好に一致しており、地下検出器の研究における信頼できる使用が可能である。

ABSTRACT

Based on the standard Gaisser's formula, a modified parametrization for the sea-level cosmic-ray muon flux is introduced. The modification is verified against experimental results. The average vertical cosmic-ray muon intensity as a function of depth of standard rock is simulated using the modified formula as input to the MUSIC code. The calculated muon intensities is consistent with the experimental measurements.

研究の動機と目的

• 標準のGaisser式には地球の曲率とミューオンの崩壊が無視可能であると仮定されており、その有効性が小さな天頂角および高エネルギー領域に限定されるため、その限界を是正すること。
• ミューオンフラックスのパラメータ化を、すべての天頂角および低エネルギー領域にまで拡張し、特に地下実験において関連性の高いものとすること。
• 検出器シミュレーションにおけるミューオン輸送コードの入力として使用可能な、実用的で高精度なパラメータ化を開発すること。
• 世界中の実験的ミューオンフラックス測定値および地下ミューオン強度データと照合して、修正されたパラメータ化を検証すること。

提案手法

• Chirkinの定式化に基づくパラメータ化された関係式を用いて、地上で観測される天頂角θ*と生成時の天頂角θとの関係を地球の曲率を考慮して定式化する。
• 標準のGaisser式に、エネルギーに依存する新たな要因を導入することで修正する：(1 + 3.64 GeV / (Eμ (cosθ*)^1.29))^-2.7 低エネルギー域の偏差を補正するため。
• 世界中の実験的ミューオンフラックスデータを用いて、さまざまな天頂角において、新しいパラメータ（3.64および1.29）をフィットする。
• 修正されたパラメータ化をMUSICコードの入力として使用し、標準的な岩盤被覆厚さを通過するミューオン輸送をシミュレートする。
• 異なる岩盤被覆厚さにおけるシミュレートされたミューオン強度を、参考文献[12]の実験測定値と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地球の曲率は、特に大きな天頂角において、海面上での観測ミューオンフラックス分布にどのように影響を与えるか？
• RQ2 ミューオンの崩壊は、低エネルギー域での測定ミューオンフラックスにどの程度影響を及ぼし、パラメータ化においてどのように補正可能か？
• RQ3 修正されたパラメータ化は、標準のGaisser式と比較して、すべての天頂角およびエネルギー範囲におけるミューオンフラックス予測の精度をどのように向上させるか？
• RQ4 修正されたパラメータ化は、さまざまな岩盤被覆厚さにおける実験的ミューオン強度をどの程度正確に再現するか？

主な発見

• 修正されたパラメータ化は、5パラメータのフィットを用いて、地上で観測される天頂角θ*と生成時の角度θとの関係を地球の曲率を考慮して適切に扱っており、表2のパラメータを用いている。
• エネルギーおよび角度に依存する補正項 (1 + 3.64 GeV / (Eμ (cosθ*)^1.29))^-2.7 の導入により、低エネルギー域および高天頂角領域の実験データとの一致が著しく向上した。
• MUSICコードに修正されたパラメータ化を入力として使用したシミュレーションは、さまざまな岩盤被覆厚さにおける実験的垂直ミューオン強度データと極めて良好に一致しており、標準のGaisser式を上回る性能を示した。
• 高エネルギー域（Eμ ≫ 100 GeV）では、元のGaisser形式を回復しており、高エネルギー領域における既存の結果と整合性を保っている。
• 本パラメータ化は、[6]から[10]までの広範な実験データをカバーしており、地下物理学実験における使用の信頼性を確認している。