[論文レビュー] Evaluation of the Primary Energy of UHE Photon-induced Atmospheric Showers from Ground Array Measurements

P. Billoir, C. Roucelle+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2007

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 9被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、ピエール・オービエ観測所のような地上アレイ検出器を用いた、超高エネルギー（UHE）光子誘発大気シャワーの新規エネルギー再構築手法を提案する。シャワーの発達段階を明示的に取り入れる $X - X_{\text{max}}$ パラメータと普遍的プロファイルを用いることで、標準的なべき乗則的手法が光子の遅延発達およびLPM効果により失敗するのを補い、約20%のエネルギー分解能を達成する。

ABSTRACT

A photon induced shower at $E_{prim}\ge 10^{18}$ eV exhibits very specific features and is different from a hadronic one. At such energies, the LPM effect delays in average the first interactions of the photon in the atmosphere and hence slows down the whole shower development. They also have a smaller muonic content than hadronic ones. The response of a surface detector such as that of the Auger Observatory to these specific showers is thus different and has to be accounted for in order to enable potential photon candidates reconstruction correctly. The energy reconstruction in particular has to be adapted to the late development of photon showers. We propose in this article a method for the reconstruction of the energy of photon showers with a surface detector. The key feature of this method is to rely explicitly on the development stage of the shower. This approach leads to very satisfactory results ($\simeq 20%$). At even higher energies ($5.10^{19}$ eV and above) the probability for the photon to convert into a pair of e$^+$e$^-$ in the geomagnetic field becomes non negligible and requires a different function to evaluate the energy with the proposed method. We propose several approaches to deal with this issue in the scope of the establishment of an upper bound on the photon fraction in UHECR.

研究の動機と目的

• 超高エネルギー（UHE）光子誘発大気シャワーの一次エネルギーを地上検出器を用いて正確に再構築する課題に対処すること。
• エネルギーと天頂角依存性の因子分解を仮定する標準的なべき乗則的手法には限界があり、光子では遅延発達のため失敗することを克服すること。
• シャワー発達段階（$X - X_{\text{max}}$ を通じて）を明示的に組み込むことで、光子のエネルギー分解能を向上させる手法を開発すること。
• $5 \times 10^{19}$ eV 以上のエネルギーで磁場誘発ペア生成が生じる場合の複雑さに対処し、シャワー発達が変化するため、再構築手法を修正する必要があること。
• 高エネルギー域で統計が限られる現在のデータを用いて、UHE光子フラックスに対する保守的で統計的に堅牢な上限を設定すること。

提案手法

• AIRESを用いたモンテカルロシミュレーションにより、$10^{18}$ から $10^{20.5}$ eV のエネルギー範囲でプロトンおよび光子シャワーイベントを生成し、オービエ地上検出器の応答をシミュレートする。
• 標準的な因子分解エネルギー再構築式 $S(r_0) = E_{\text{prim}}^\alpha f(\theta)$ を、シャワー発達段階を明示的に反映する $X - X_{\text{max}}$ を通じた方法に置き換える。
• 普遍的縦断プロファイルを用い、$X_{\text{max}}$ を入力として、補間された信号 $S(1000)$ と一次エネルギーを関連付ける反復的再構築アルゴリズムを適用する。
• 未変換光子の $E_{\text{prim}}$ に対する平均 $X_{\text{max}}$ 依存性をモデル化することで、エネルギー分解能を向上させる。
• $5 \times 10^{19}$ eV 以上のエネルギーでは、変換確率がほぼ 0 または 1 となる角度領域を定義し、受容能を保守的に評価し、欠落した変換済み光子を補正する。
• 地上レベルの観測量（例：信号波形の時間形状、波面の湾曲）を $X_{\text{max}}$ の代替指標として使用する可能性を検討するが、これらは同時に光子識別にも用いられる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的なべき乗則的手法が遅延発達のため失敗する状況で、UHE光子誘発シャワーのエネルギーをより正確に再構築する方法は何か？
• RQ2 LPM効果が光子シャワーの縦断的発達に与える影響は何か？ また、それは地上アレイにおける信号分布にどのように影響するか？
• RQ3 光子シャワーのミュオン成分はハドロンシャワーとどのように異なるか？ また、これは検出器応答およびエネルギー再構築にどのように影響するか？
• RQ4 $5 \times 10^{19}$ eV 以上のエネルギーで、光子が地球磁場内でのペア生成を受ける場合、エネルギー再構築にどのような修正が必要か？
• RQ5 統計が限られる高エネルギー域の現在のデータを用いて、欠落した変換済み光子を考慮に入れながらも、UHE光子フラックスに対する保守的上限を設定できるか？

主な発見

• 提案手法は、UHE光子シャワーに対して約20%のエネルギー分解能を達成し、プロトンシャワーと同等の性能を示す。
• 標準的なエネルギー再構築手法 $S(r_0) = E_{\text{prim}}^\alpha f(\theta)$ は、特に $E_{\text{prim}} \gtrsim 10^{19}$ eV では因子分解が成立しないため、光子に対しては無効である。
• $10^{19}$ eV で光子シャワーの平均 $X_{\text{max}}$ は900 g/cm² を超え、エネルギーに伴い急激に増加するため、シャワー最大が遅延していることが示唆される。
• $5 \times 10^{19}$ eV 以上のエネルギーでは、光子のペア生成確率が無視できなくなり、再構築関数を別途定義する必要がある。
• 未変換光子のみを分析し、損失効率を補正することで、保守的なフラックス上限を設定できる。この手法はやや保守的ではあるが、堅牢な結果をもたらす。
• 普遍的プロファイルと $X - X_{\text{max}}$ 依存性を用いた反復的手法は、エネルギー分解能を向上させ、特に発達段階依存のパrametrizationを組み合わせることで、最高エネルギー域でも正確性を保つ。