[論文レビュー] Charm production in SIBYLL

R. Engel, Anatoli Fedynitch+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、LHCのデータに合わせて調整され、charm生成の体系的モデルを含む拡張がなされたSIBYLL 2.3rc1の更新版が提示されている。このモデルは、摂動的および非摂動的charm生成を組み込むことで、大気中のミューオンおよびニュートリノフラックスの予測を改善し、特に非摂動的成分が前向き方向で支配的であり、実験的制約が限られているにもかかわらず高エネルギーのレプトンフラックスに顕著な影響を及ぼしている。

ABSTRACT

SIBYLL 2.1 is an event generator for hadron interactions at the highest energies. It is commonly used to analyze and interpret extensive air shower measurements. In light of the first detection of PeV neutrinos by the IceCube collaboration the inclusive fluxes of muons and neutrinos in the atmosphere have become very important. Predicting these fluxes requires understanding of the hadronic production of charmed particles since these contribute significantly to the fluxes at high energy through their prompt decay. We will present an updated version of SIBYLL that has been tuned to describe LHC data and extended to include the production of charmed hadrons.

研究の動機と目的

• 高エネルギー陽子-陽子衝突を対象として、SIBYLLイベントジェネレータをLHCデータに合わせてチューニングすること。
• 大気中の即発ミューオンおよびニュートリノフラックスを予測する上で不可欠な、charmバリオンの生成をモデルに組み込むこと。
• コライダーでアクセスできない前向きのlarge-x_L charm生成に対する実験的制約の不足を補うために、摂動的および非摂動的寄与を含む体系的モデルを開発すること。
• 前向きcharm生成が大気レプトンの包含フラックスに与える影響を、IceCubeのPeVニュートリノ観測の文脈で評価すること。
• 現在のcharm生成測定の位相空間カバー範囲が限定されていることに起因する、大気レプトンフラックス予測の不確実性を定量化すること。

提案手法

• 高エネルギー域での過剰推定を回避するために、ハードパートオンの横断的プロファイル関数を狭め、非弾性陽子-陽子断面積を更新し、TOTEMの73.5 mb測定値と整合させる。
• ソフト断面積パラメータ化をLHCデータ（$\bar{p}$-pおよびp-p測定）に再適合し、メソン-核子相互作用へと拡張する。
• MRS計算に基づく摂動的成分と、コライダーで到達できない前向き生成を補う非摂動的成分を含む、新しいcharm生成モデルを実装する。
• 部分子密度の飽和効果を反映させるために、ミニジェットのエネルギー依存的$ p_\perp $-カットオフを導入し、物理的でない多重度テイルを回避する。
• バリオン対生成を強化するようにフラグメンテーションモデルを拡張し、LHCのバリオン多重度測定と整合性を高める。
• 7 TeVでの$\sqrt{s} = 7$ TeVにおけるD中間子の重み付きエネルギースペクトルをMRS摂動的計算と比較することで、モデルを検証する。この際、$x_F = 0.19$で正規化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SIBYLLはどのようにしてLHCデータを用いて高エネルギー陽子-陽子衝突をよりよく記述できるように更新できるか？
• RQ2 charm生成の組み込みが、大気中のミューオンおよびニュートリノフラックス予測にどの程度改善をもたらすか？
• RQ3 前向きレプトンフラックスに与える摂動的および非摂動的charm生成の相対的寄与はいかほどか？
• RQ4 現在のLHC測定は、前向きcharm生成領域をどの程度制限しており、大気レプトンフラックス予測にどのような含意を持つのか？
• RQ5 large-$x_{\rm L}$ charm生成の実験的カバー範囲が限られていることによる、大気レプトンフラックス予測の不確実性はどの程度か？

主な発見

• SIBYLL 2.3rc1の更新版は、ハードパートオンの横断的プロファイルを狭めることで、$\sqrt{s} = 7$ TeVにおける非弾性$p$-$p$断面積を73.5 mbに低下させ、TOTEMの測定値と一致させた。
• モデルの摂動的charm成分は、$x_F = 0.19$におけるMRS解析的計算と良好な一致を示し、その摂動的基盤の妥当性が裏付けられた。
• 非摂動的charm生成は前向き領域（$x_{\rm L} \gtrsim 0.5$）で支配的であり、直接的な実験的制約が乏しくても、高エネルギーの大気レプトンフラックスに顕著な寄与を示している。
• $\sqrt{s} = 7$ TeVでは、LHCb検出器が前向きcharm生成に起因する$Z_{pD}$の約10％しかカバーしていないため、位相空間カバー範囲が限定されていることが明確になった。
• モデルは、大気レプトンフラックスが前向きcharm生成に最も敏感であると予測しており、これは現在の実験的・理論的制約が不十分であることを示している。
• 今後の作業では、データと整合しつつ前向きcharm生成量を最大または最小にするパラメータセットを探索し、大気フラックス予測の不確実性を定量化する予定である。