[論文レビュー] Fluorescence emission induced by extensive air showers in dependence on atmospheric conditions

B. Keilhauer, M. Unger|ArXiv.org|Jun 30, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、広範な空気シャワーにおける高精度な蛍光収率モデル（K08）を提示し、窒素蛍光における温度および湿度依存の衝突的消光効果を組み込む。月平均ではなく実際の気象観測データ（気象ロケット観測）を用いることで、これらの依存性を無視するとエネルギー再構築誤差が最大±7%、$X_{\mathrm{max}}$ のバイアスが最大±5\,g\,cm$^{-2}$ に達することを示している。最大の系貫的効果は、大気の上部または深部で発達するシャワーにおいて生じる。

ABSTRACT

Charged particles of extensive air showers (EAS), mainly electrons and positrons, initiate the emission of fluorescence light in the Earth's atmosphere. This light provides a calorimetric measurement of the energy of cosmic rays. For reconstructing the primary energy from an observed light track of an EAS, the fluorescence yield in air has to be known in dependence on atmospheric conditions, like air temperature, pressure, and humidity. Several experiments on fluorescence emission have published various sets of data covering different parts of the dependence of the fluorescence yield on atmospheric conditions. Using a compilation of published measurements, a calculation of the fluorescence yield in dependence on altitude is presented. The fluorescence calculation is applied to simulated air showers and different atmospheric profiles to estimate the influence of the atmospheric conditions on the reconstructed shower parameters.

研究の動機と目的

• 蛍光検出器における宇宙線エネルギー再構築の精度を向上させるために、窒素蛍光収率における大気的依存性を考慮すること。
• 測定された衝突断面積を用いて、温度および水蒸気圧が蛍光発光に与える影響を定量すること。
• 実際の気象プロファイル（特に、実際のロケット観測と月平均モデルの比較）が再構築されたシャワーパラメータに与える影響を評価すること。
• 異なる蛍光収率モデルが引き起こす系統的不確実性およびその大気条件依存性を評価すること。

提案手法

• K08蛍光モデルは、N₂–N₂、N₂–O₂、およびN₂–H₂O衝突の更新済み断面積を用いて、温度および圧力依存の衝突的消光を組み込む。
• 蛍光収率式 $ Y_{\lambda} = \Phi^{0}_{\lambda} \cdot \lambda / hc \cdot (1 + P/P'_{v})^{-1} $ を使用し、ここで $ P'_{v} $ は衝突断面積および温度に依存する。
• 実際の局所的ラジオ観測データ（109件のプロファイル）を用いたK08モデルを用いて、シミュレートされた空気シャワーを再構築し、標準的な月平均モデルと比較した。
• 温度依存性（$\sigma_T$）および水蒸気消光（$\sigma_e$）効果を含む・含まないK08モデルを用いた再構築結果を比較し、それぞれの寄与を分離した。
• 系統的不確実性は、衝突断面積の2つの独立した測定値（$\sigma_e^W$ と $\sigma_e^M$）を比較し、温度依存性のための $\alpha$-係数を変化させることで評価した。
• 一貫性を確保するため、本分析ではピエール・オービエ観測所の $\overline{\textrm{Off}}$\underline{\textrm{line}} シミュレーションおよび再構築フレームワークを用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 温度および水蒸気圧は、窒素主体の大気中における蛍光収率にどのように影響するか？
• RQ2 温度および湿度依存の消光を無視した場合、再構築された一次エネルギーおよび $X_{\mathrm{max}}$ にどのような影響が生じるか？
• RQ3 実際の気象ロケット観測と標準的な月平均モデルの間で、シャワー再構築の正確性にどのような差が生じるか？
• RQ4 異なる蛍光収率モデルおよび断面積測定値が引き起こす系統的不確実性は何か？
• RQ5 陽子誘発シャワーと鉄誘発シャワーは、蛍光再構築における大気の変動に対してどのように異なる応答を示すか？

主な発見

• 温度依存の衝突的消光（$\sigma_T$）を無視すると、$X_{\mathrm{max}}$ が大気上層部にあるシャワーでは最大-7%のエネルギー再構築誤差が生じる。
• 水蒸気消光（$\sigma_e$）を無視すると、$X_{\mathrm{max}}$ が地表付近にあるシャワーでは最大7%のエネルギー過小評価が生じる。
• シャワー最大位置（$X_{\mathrm{max}}$）は、深部シャワーでは最大-5 g cm⁻²、高高度シャワーでは最大+5 g cm⁻² のバイアスを示し、最大のシフトは標高3 kmおよび9 km付近で生じる。
• $\sigma_e$ および $\sigma_T$ の依存性は、$X_{\mathrm{max}}$ 再構築において部分的に相殺され、$X_{\mathrm{max}}$ へのネット効果が小さくなる。
• 月平均モデルではなく実際の気象ロケット観測を用いることで、エネルギー再構築に1%未満の差が生じ、$X_{\mathrm{max}}$ では2 g cm⁻²未満の差が生じる。
• 大気プロファイルの変動に起因するエネルギー再構築のRMS不確実性は [1.5, 3.0]% の範囲にあり、$X_{\mathrm{max}}$ では [7.2, 8.4] g cm⁻² の範囲にある。