[論文レビュー] AIRES A system for air shower simulations. User's guide and reference manual

Sergio J Sciutto|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 1999

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 88

ひとこと要約

AIRES 19.04.00 は、高エネルギー宇宙線大気シャワーを包括的かつオープンソースでシミュレートするシステムであり、現実的な大気・地球磁場・地球の曲率効果を考慮した、空間時間的粒子伝搬をモデル化する。大規模な粒子多重度に対処するため、バイアスのないスプライシング（thinning）を採用し、電磁力学、ハドロン相互作用、崩壊、伝搬といった詳細な物理学をサポート。ZHAireS などの拡張モジュールにより、電波放射シミュレーションの能力が向上している。

ABSTRACT

The AIRES (AIR-shower Extended Simulations) system is a set of programs and subroutines to realistically simulate particle showers produced after the incidence of high energy cosmic rays on the Earth's atmosphere, and to manage all the related output data. The current version includes a series of improvements with respect to previous releases that are explained in detail in this manual and/or the web site aires.fisica.unlp.edu.ar from where the software can be downloaded. Among such improvements, it is worth mentioning: (i) High energy hadronic collisions can be simulated usign the the well-known hadronic models EPOS, QGSJET, or SIBYLL, all of them in their LHC-tuned versions. (ii) Detailed simulation of unstable hadron decays. (iii) The inclusion of a series of pre-compiled, ready to use, external special particle modules, that are characteristic of AIRES since its early versions. Such modules allow, for example, to easily simulate multi-primary particle showers. (iv) An exhaustive revision of the atmospheric profile models, including annual average profiles for geographcal locations corresponding to currently in operation ultra-high energu shower observatories; and also the capability of accepting user-defined custom atmospheric profiles.

研究の動機と目的

• 1 GeV から 1 ZeV 以上のエネルギー範囲にわたる高エネルギー宇宙線大気シャワーの信頼性が高く拡張可能なシミュレーションフレームワークを提供すること。
• 大気・地球磁場・曲率効果を正確に反映した、空間時間的シャワー発展のモデル化。
• 大多重度シャワーにおける精度を維持するため、バイアスのない統計的サンプリング（スプライシング）をサポートすること。
• 入力ディレクティブ言語（IDL）による柔軟な入力制御と、UNIX環境における効率的なジョブ管理のためのAIRESランナーシステムによるジョブ管理。
• ZHAireS などのプラグインモジュールを用いた、電波放射モデル化を含むシミュレーション能力の拡張。

提案手法

• 入力ディレクティブ言語（IDL）を用いて、主粒子、エネルギー、観測地点、物理モデルなどのシミュレーションパラメータを設定する。
• エネルギー損失、多次散乱、地球磁場による偏光を考慮した、粒子の完全な空間時間的伝搬を実装する。
• 平均観測量にバイアスをかけないよう、大規模な粒子多重度を管理するためのバイアスのないスプライシングアルゴリズムを適用する。
• EPOS や QGSJET、SIBYLL などの外部ハドロン相互作用モデルをモジュラーインターフェースを介して統合する。
• UNIX環境におけるジョブ連携と監視のため、AIRESランナーシステムを活用する。
• AIRESサマリープログラムとオブジェクトライブラリを用いて、粒子データ、観測量、圧縮出力ファイルの解析を処理する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1 GeV から 1 ZeV の広いエネルギー範囲にわたる大気シャワーのシミュレーションを、精度と効率の両立で実現する方法は何か？
• RQ2 大多重度大気シャワーのシミュレーションにおいて、バイアスのないスプライシングを実装する最適な方法は何か？
• RQ3 電波放射のシミュレーションなど、新たな物理学を統合するためのシミュレーションシステムの拡張方法は何か？
• RQ4 ハイパフォーマンスコンピューティング環境における複雑なシミュレーションワークフローを効果的に管理する方法は何か？
• RQ5 大気シャワーのシミュレーションにおいて、現実的大気・地球磁場場を一貫してモデル化する方法は何か？

主な発見

• AIRES 19.04.00 は、Z=36 までの標準模型粒子を含め、1 GeV から 1 ZeV 以上の主粒子をサポートする。
• 新しい大気モデル（SouthPoleAvg, MalargueAvg）を含み、AddAtmosModel を介してユーザー定義モデルのサポートも可能。
• 主エネルギーの動的設定が可能な特別な主粒子モジュールが導入され、固定された PrimaryEnergy ディレクティブの必要性が不要になった。
• ZHAireS などの拡張モジュールのインストールが可能になり、大気シャワーからの電波放射のシミュレーションが可能になった。
• 二次ニュートリノ用の新しい出力テーブル（例：6296）と、改良された乱数生成器（urandomt）により、データの正確性と再現性が向上した。
• バージョン 18.09.00 に対して顕著なアルゴリズム的・アーキテクチャ的改善が行われつつも、完全な後方互換性を維持している。