[論文レビュー] Core-corona effect in hadron collisions and muon production in air showers

Sebastian Baur, H.-P. Dembinski+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 12

ひとこと要約

この論文は、LHCの陽子-陽子衝突におけるコア-コロナ効果—統計的ハドロン化（コア）とストリング破断（コロナ）の競合—が、電磁エネルギー対ハドロンエネルギー比（R = E_em/E_had）に影響を及ぼし、これが10^19 eVを超えるエネルギーの宇宙線大気降下においてミューオン生成に直接的に関与することを提案する。EPOS-LHCおよびPYTHIA 8のシミュレーションを用いて、高密度状態における統計的ハドロン化への遷移がRを増加させることを示し、これが長年の問題であった、E > 10^19 eVのエネルギー領域におけるシミュレーションと観測されたミューオン数の乖離を説明可能である可能性を示している。

ABSTRACT

It is very well known that the fraction of energy in a hadron collision going into electromagnetic particles (electrons and photons, including those from decays) has a large impact on the number of muons produced in air shower cascades. Recent measurements at the LHC confirm features that can be linked to a mixture of different underlying particle production mechanisms such as a collective statistical hadronization (core) in addition to the expected string fragmentation (corona). Since the two mechanisms have a different electromagnetic energy fraction, we present a possible connection between statistical hadronization in hadron collisions and muon production in air showers. Using a novel approach, we demonstrate that the core-corona effect as observed at the LHC could be part of the solution for the lack of muon production in simulations of high energy cosmic rays. To probe this hypothesis, we study hadronization in high energy hadron collisions using calorimetric information over a large range of pseudorapidity in combination with the multiplicity of central tracks. As an experimental observable, we propose the production of energy in electromagnetic particles versus hadrons, as a function of pseudorapidity and central charged particle multiplicity.

研究の動機と目的

• 10^19 eVを超えるエネルギーにおける大気降下の広がりたる降下（extensive air showers）におけるシミュレーションと観測されたミューオン数の継続的である乖離を解消すること。
• 高密度陽子-陽子衝突におけるコア-コロナ効果—高密度状態における統計的ハドロン化—がミューオン過剰を説明できるかを調査すること。
• 電磁エネルギー対ハドロンエネルギー比 R = E_em/E_had がハドロン化メカニズムに敏感であり、したがってミューオン生成に極めて重要であることを示すこと。
• LHCにおける断面積および中央チャージ粒子多重度に応じたRの精密測定を提案し、仮説の検証を図ること。
• 小スケール系における集団的性のQGP様と非QGP様のメカニズムを区別するための新たな実験的手段を提供すること。

提案手法

• EPOS-LHCおよびPYTHIA 8のイベントジェネレータを用いて高エネルギーハドロン衝突をシミュレートし、電磁的（E_em）およびハドロン的（E_had）粒子間のエネルギー分配を分析する。
• R = E_em / E_had を主観測量として定義し、E_em にはπ⁰崩壊からの光子および電子/陽電子を含める。
• ストリング破断から統計的ハドロン化への遷移を調べるため、R を動真性（η）および中央チャージ粒子多重度（N_ch）の関数として分析する。
• コア-コロナ効果を含むモデルと含まないモデルを比較し、統計的ハドロン化がRに与える影響を分離する。
• LHCの中央および前方の遮蔽検出器からの熱量測定データを用いて、Rを約5%の精度で測定することを提案する。
• 今後の大気降下実験が、μ粒子数分布の尾部を分析することで、π⁰エネルギー分布の高エネルギー部分を間接的に推定できる可能性を示唆する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCにおける陽子-陽子衝突のコア-コロナ効果は、宇宙線大気降下で観測されたミューオン過剰を説明できるか？
• RQ2 高エネルギーハドロン衝突において、R = E_em / E_had は動真性および中央チャージ粒子多重度にどのように依存するか？
• RQ3 統計的ハドロン化（コア）がストリング破断（コロナ）と比較してRをどの程度増加させるか、そしてその増加がミューオンの乖離を解消できるか？
• RQ4 LHCにおけるRの測定は、小スケール系における集団的性のQGP様と非QGP様のメカニズムを区別できるか？
• RQ5 LHCでRを5%の精度で測定することは可能か？そのようなデータは、大気降下におけるミューオン生成を制約するか？

主な発見

• 大気降下におけるミューオン生成は、R = E_em / E_had の比に極めて敏感であり、これは下位のハドロン化メカニズムに依存する。
• コア-コロナ効果—高多重度状態で統計的ハドロン化が支配的になる現象—がRを増加させ、結果として大気降下におけるミューオン生成を増強する。
• 現在のシミュレーション（例：EPOS-LHC）は、コア形成の閾値を過大評価しているため、コア寄与の寄与が不足しており、結果としてミューオン生成量が低予測されている。
• LHCにおけるRの動真性および多重度依存性のデータは、現在の仮説（統計的ハドロン化がミューオン過剰を解消する）と整合的である。
• LHCでRを5%の精度で測定することは実現可能であり、これによりハドロン化モデルおよび大気降下シミュレーションの制約が得られる。
• 提案された観測量Rは、小スケール系（例：陽子-陽子衝突）における集団的性のQGP様と非QGP様のメカニズムを区別するための新たな手段を提供する。