[論文レビュー] Investigating of longitudinal development parameters through air shower simulation by different hadronic models

AL-Rubaiee Ahmed A, Ahmed Jumaah|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 7被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、10^14–10^19 eV のエネルギー範囲およびさまざまな一次粒子を対象として、AIRESシミュレーションフレームワークを用いて広がりのある空気シャワーの縦方向発展パラメータ（N および Xmax）の研究を行った。SIBYLL、QGSJET99、SIBYLL S16 の3つのハドロン衝突モデルを比較した結果、特に高エネルギー域および重い一次粒子において、Xmax およびシャワーの大きさに顕著な差が生じることが明らかになった。これは、空気シャワーの再構築におけるモデル依存性の不確実性を示している。

ABSTRACT

In this work the simulation of the Extensive Air Showers was performed by investigating the longitudinal development parameters (N and Xmax) by using a system for air shower simulation which is called AIRES version 2.6.0 at the energy range (10^14-10^19 eV) for different primary particles like (gamma, electron, positron, proton and iron nuclei) and different zenith angles. The comparison of simulated longitudinal profile was fulfilled for different hadronic models (SIBYLL, QGSJET99 and SIBYLL S16).

研究の動機と目的

• 異なるハドロン衝突モデルが縦方向空気シャワー発展パラメータに与える影響を評価すること。
• さまざまな一次粒子（ガンマ線、電子、陽電子、プロトン、鉄核）および天頂角における Xmax および N の変動を分析すること。
• 超高エネルギー（10^14–10^19 eV）における空気シャワーのシミュレーションにおけるモデル依存性の不確実性を評価すること。
• 空気シャワー再構築および宇宙線物理学で用いられるハドロンモデルの比較的ベンチマークを提供すること。

提案手法

• 広がりのある空気シャワーのシミュレーションは、AIRESバージョン 2.6.0 フレームワークを用いて実施された。
• エネルギー範囲は 10^14 eV から 10^19 eV までであり、超高エネルギー宇宙線をカバーしている。
• 一次粒子（ガンマ線、電子、陽電子、プロトン、鉄核）の縦方向プロファイルが生成された。
• SIBYLL、QGSJET99、SIBYLL S16 の3つのハドロン衝突モデルを用いて、相互比較が行われた。
• 縦方向発展パラメータとして、N（粒子数）および Xmax（シャワー最大位置）が抽出され、分析された。
• 複数の天頂角でのシミュレーションを実施し、角度依存性の検討が行われた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なるハドロンモデルが、広がりのある空気シャワーの縦方向発展にどのように影響を与えるか？
• RQ2 超高エネルギー域における異なる一次粒子種において、Xmax および N にどのような差が生じるか？
• RQ3 天頂角および一次粒子の質量が、シミュレートされたシャワー・プロファイルにどのように影響を与えるか？
• RQ4 SIBYLL、QGSJET99、SIBYLL S16 モデル間で、Xmax および N にどのような差が生じるか？
• RQ5 ハドロンモデルの選択が、宇宙線シャワー再構築にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• SIBYLL、QGSJET99、SIBYLL S16 モデル間で Xmax 値に顕著な差が観測された。特に高エネルギー域および重い一次粒子において顕著であった。
• SIBYLL S16 モデルは、QGSJET99 や標準 SIBYLL と比較して、一貫して Xmax が早期に予測された。これはシャワー発展がより早く進行することを示している。
• N 値（シャワーの大きさ）はモデル間で変動し、同じエネルギーでも QGSJET99 が SIBYLL 変種よりも粒子多重度が大きかった。
• プロトンおよび鉄一次粒子において、モデル間の Xmax シフトはエネルギーに伴い増大し、10^18–10^19 eV ではモデルの不確実性が顕著に拡大した。
• 大きな天頂角では、縦方向プロファイルの差が顕著に現れ、シャワー再構築の精度に影響を与えた。
• 本結果は、ハドロンモデルの選択が、空気シャワーのパラメータ推定に無視できない系統的不確実性をもたらすことを示している。