[論文レビュー] Investigation of Hadronic Interactions at Ultra-High Energies with the Pierre Auger Observatory

R. Ulrich|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 8被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、ピエール・オーディエ・オブザーバトリのデータを用いて、超高エネルギー宇宙線衝突を調査し、シャワー最大深さ（$X_{\rm max}$）とミューオン含有量（$N_\mu$）の測定値を組み合わせることで、ハドロン相互作用モデルを検証する。観測された $X_{\rm max}$ と $N_\mu$ の値と現在のシミュレーションとの間に顕著な不一致が見られ、450 TeVまでの重心系エネルギーで既存のモデルがハドロン物理学を一貫して記述できないことが示唆される。

ABSTRACT

The aim of the Pierre Auger Observatory is the investigation of the nature of cosmic ray particles at ultra-high energies. It can simultaneously observe the longitudinal air shower development in the atmosphere as well as particle densities on the ground. While there are no dedicated muon detectors, techniques have been developed to estimate the number of muons, $N_μ$, produced by air showers. Both, the longitudinal development, in particular the depth of the shower maximum, $X_{ m max}$, and the muon content of air showers are highly sensitive to hadronic interactions at ultra-high energies. Currently, none of the available hadronic interaction models used for simulations of extensive air showers is able to consistently describe the observations of $X_{ m max}$ and $N_μ$ made by the Pierre Auger Observatory.

研究の動機と目的

• 宇宙線大気シャワーのデータを用いて、超高エネルギーにおける現在のハドロン相互作用モデルの妥当性を検証すること。
• 観測された $X_{\rm max}$ と $N_\mu$ の値と、モンテカルロ・シミュレーションの予測との乖離を解消すること。
• ハドロン物理学に敏感な天体物理学的観測量を用いて、一次宇宙線の質量組成を制約すること。
• QGSJetII、Sibyll、EPOS、QGSjet01 などの既存モデルが大気シャワーの発展を記述する際の欠陥を特定すること。
• LHCの到達域を超えるハドロン相互作用物理学を調べる上で、$X_{\rm max}$ と $N_\mu$ の併用測定が強力なプローブであることを示すこと。

提案手法

• 1600台のウォーターチェレンコフ表面検出器と24台の蛍光望遠鏡を併用するピエール・オーディエ・オブザーバトリのハイブリッド検出システムを用いる。
• 縦方向シャワープロファイルにガイスラー・ヒルスパラメータ化をフィットさせ、$X_{\rm max}$ を再構築する。
• 電磁成分を差し引いた後、表面アレイのデータからミューオン信号を複数の間接的手法で抽出する。
• QGSJetII、Sibyll、EPOS、QGSjet01 などのさまざまなハドロン相互作用モデルを用いて、観測された $X_{\rm max}$ と $N_\mu$ の値とを比較する。
• システム的不確実性を補うために、エネルギースケーリング（最大30％）を適用する。
• $X_{\rm max}$ と $N_\mu$ の併せた感度を用いて、モデル予測の不一致を推論する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在のハドロン相互作用モデルは、超高エネルギー大気シャワーにおける観測された $X_{\rm max}$ と $N_\mu$ の値をどの程度再現できるか？
• RQ2 $X_{\rm max}$ と $N_\mu$ 測定値が一次宇宙線質量組成について不一致な解釈をもたらす理由は何か？
• RQ3 ハドロン相互作用パラメータを調整することで、観測されたミューオン含有量とモデル予測の乖離を解消できるか？
• RQ4 結果は、約450 TeVまでの重心系エネルギー領域におけるハドロン相互作用の制限をどの程度示唆するか？
• RQ5 $X_{\rm max}$ と $N_\mu$ の併せたデータは、大気シャワーキャスケードの背後にある物理学にどのような示唆をもたらすか？

主な発見

• 測定された $\langle X_{\rm max} \rangle$ 値は、全モデルにおいてプロトンと鉄の予測値の間にあるため、中程度または混合質量（$A \sim 7$）の組成と整合的である。
• エネルギースケールの不確実性（最大30％）を考慮しても、観測されたミューオン含有量 $N_\mu$ は鉄の予測値を著しく上回っている。
• $N_\mu$ のデータは、プロトンと鉄の予測範囲の外にあるため、一次組成が鉄よりも重い可能性を示唆している。
• EPOS（最高のミューオン出力予測を行う）を含む、全テスト済みのハドロン相互作用モデルが、$X_{\rm max}$ と $N_\mu$ の両方を同時に記述できない。
• 一次質量組成やシミュレーションのエネルギースケールを変更しても、$X_{\rm max}$ と $N_\mu$ の観測値の不一致は解消できない。
• 結果は、450 TeV程度までの重心系エネルギーで、現在のハドロン相互作用モデルに根本的な欠陥があることを示唆しており、キャスケード発展に関する新しい物理学または誤った仮定がある可能性を示している。