[論文レビュー] Inferences on mass composition and tests of hadronic interactions from 0.3 to 100 EeV using the water-Cherenkov detectors of the Pierre Auger Observatory

A. Aab, P. Abreu|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、水チェレンコフ検出器の信号における立ち上がり時間（risetimes）を用いた新規手法を導入し、超高エネルギー（0.3–100 EeV）における質量組成の推定と強子相互作用モデルの検証を実現した。フラーレンス検出器データを用いて新しいパラメータをキャリブレーションすることで、81,000件を超えるイベントのXmaxを導出。これは従来のフラーレンス検出器サンプルの14倍以上であり、エネルギー範囲を拡張し、質量組成推定における統計的不確実性を低減した。

ABSTRACT

We present a new method for probing the hadronic interaction models at ultrahigh energy and extracting details about mass composition. This is done using the time profiles of the signals recorded with the water-Cherenkov detectors of the Pierre Auger Observatory. The profiles arise from a mix of the muon and electromagnetic components of air showers. Using the risetimes of the recorded signals, we define a new parameter, which we use to compare our observations with predictions from simulations. We find, first, inconsistencies between our data and predictions over a greater energy range and with substantially more events than in previous studies. Second, by calibrating the new parameter with fluorescence measurements from observations made at the Auger Observatory, we can infer the depth of shower maximum Xmax for a sample of over 81,000 events extending from 0.3 to over 100 EeV. Above 30 EeV, the sample is nearly 14 times larger than what is currently available from fluorescence measurements and extending the covered energy range by half a decade. The energy dependence of ?Xmaxcopyright is compared to simulations and interpreted in terms of the mean of the logarithmic mass. We find good agreement with previous work and extend the measurement of the mean depth of shower maximum to greater energies than before, reducing significantly the statistical uncertainty associated with the inferences about mass composition.

研究の動機と目的

• 水チェレンコフ検出器の信号時間プロファイルを用いて、超高エネルギーにおける強子相互作用モデルを探索する新規手法の開発。
• フラーレンス検出器に依存せずに、降下シャワー最大深さ（Xmax）を立ち上がり時間から推定すること。
• 現在のフラーレンスベースのサンプルを上回るエネルギー範囲と統計的有意性を有するXmax測定の拡張。
• より大規模で感度の高いイベントサンプルを活用することで、高エネルギー領域における質量組成推定の不確実性を低減すること。

提案手法

• 水チェレンコフ検出器が記録した信号の時間プロファイルを分析し、空気シャワー成分からの立ち上がり時間情報を抽出する。
• 空気シャワーのミュオン成分および電磁成分を特徴付けるために、立ち上がり時間に基づく新しいパラメータを定義する。
• ピエール・オービエ観測所の同一位置に設置されたフラーレンス測定データを用いて、新しいパラメータをキャリブレーションする。
• キャリブレーション済みのパラメータを用いて、0.3–100 EeVの範囲で81,000件以上のイベントのXmaxを推定する。
• 推定されたXmax値をシミュレーションと比較し、一貫性を評価するとともに、平均対数質量を推定する。
• 統計的手法を適用して、高エネルギー領域における質量組成推定の不確実性を低減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 水チェレンコフ信号の立ち上がり時間は、超高エネルギー空気シャワーにおけるXmaxの信頼できる代理指標として機能するか？
• RQ2 本研究で推定されたXmax値は、現在の強子相互作用モデルの予測とどのように一致するか？
• RQ3 フラーレンスベースの手法と比較して、本手法はエネルギー範囲とイベント統計の両方をどの程度拡張できるか？
• RQ4 拡張されたXmaxサンプルから得られる平均対数質量のエネルギー依存性はいかほどか？
• RQ5 0.3–100 EeVのエネルギー範囲にわたり、データとシミュレーションの不一致はどのように変化するか？

主な発見

• 本研究では、従来の研究と比較してはるかに広いエネルギー範囲とはるかに多数のイベントを用いて、観測データとシミュレーション予測との間に不一致が生じていることを特定した。
• 新規手法により、81,000件を超えるイベントのXmax推定が可能となり、エネルギー範囲が0.3から100 EeV以上に拡張された。
• 30 EeVを超える領域では、Xmaxサンプルが現在のフラーレンスベースのサンプルと比べてほぼ14倍に増加した。
• ⟨Xmax⟩のエネルギー依存性は、従来の研究と比較して顕著に統計的不確実性が低減された。
• 推定された平均対数質量と従来の測定結果との間に良好な一致が得られ、本手法の整合性が裏付けられた。
• 本手法は、超高エネルギーにおける質量組成と強子モデルを探索するための、統計的に信頼性が高く、高統計の代替手法を提供する。